DE102017128488A1 - A method and cell population sensor for determining a value indicative of the permittivity of a cell population - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts im Rahmen einer Impedanzspektroskopie weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen eines mit einer Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms durch die Zellpopulation; Messen einer Spannung in der Zellpopulation zwischen einer ersten Messelektrode (12) und einer zweiten Messelektrode (14); Abtasten des Erregerstroms, wobei erste Abtastwerte für den Erregerstrom erzeugt werden; Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode (12) und der zweiten Messelektrode (14), wobei zweite Abtastwerte für die Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode erzeugt werden; und Bestimmen des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf Basis der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte.

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A method for determining a value indicative of the permittivity of a cell population in the context of impedance spectroscopy comprises the steps of: generating an excitation current oscillating at an excitation frequency through the cell population; Measuring a voltage in the cell population between a first measuring electrode (12) and a second measuring electrode (14); Sampling the excitation current, generating first samples of the excitation current; Sensing the voltage between the first sensing electrode (12) and the second sensing electrode (14) to generate second voltage samples between the first sensing electrode and the second sensing electrode; and determining the value indicative of the permittivity of the cell population based on the first samples and the second samples.
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Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Impedanzspektroskopie von Zellpopulationen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Bestimmen der Permittivität einer Zellpopulation bzw. das Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und einen Zellpopulationssensor zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts.The present invention is in the field of impedance spectroscopy of cell populations. In particular, the present invention relates to determining the permittivity of a cell population or determining a value indicative of the permittivity of a cell population. More particularly, the present invention relates to a method and a cell population sensor for determining a value indicative of the permittivity of a cell population.

Elektrische Impedanzspektroskopieverfahren werden als Messverfahren zur zerstörungsfreien in-situ und in-vivo Bestimmung von frequenzabhängigen passiven elektrischen Eigenschaften von biologischen Materialien verwendet. Ein solches biologisches Material kann beispielsweise eine Substanz aus einer Flüssigkeit und darin aufgenommenen biologischen Zellen sein, in ihrer Gesamtheit hierin als Zellpopulation bezeichnet. Die oben genannten frequenzabhängigen passiv-elektrischen Eigenschaften der Zellpopulation können unter anderem Auskunft über die Anzahl der lebenden Zellen und/oder Größe der Zellen und/oder Homogenität der Zellen geben. Bisherige Sensoren und Impedanzspektroskopieverfahren sind bezüglich der Genauigkeit der Messergebnisse nicht immer vollkommen zufriedenstellend. Auch kann die Qualität der Messergebnisse über einen breiten Frequenzbereich stark schwanken.Electrical impedance spectroscopy techniques are used as a measurement method for nondestructive in situ and in vivo determination of frequency dependent passive electrical properties of biological materials. Such a biological material may be, for example, a substance of a liquid and biological cells received therein, referred to collectively herein as a cell population. The above-mentioned frequency-dependent passive-electrical properties of the cell population can provide, inter alia, information about the number of living cells and / or size of the cells and / or homogeneity of the cells. Previous sensors and impedance spectroscopy methods are not always completely satisfactory in terms of the accuracy of the measurement results. Also, the quality of the measurement results can vary widely over a wide frequency range.

Demzufolge wäre es wünschenswert, ein Verfahren und einen Zellpopulationssensor zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts bereitzustellen, das/der eine hohe Messgenauigkeit hat und zuverlässige Messungen in einem weiten Frequenzbereich ermöglicht.Accordingly, it would be desirable to provide a method and a cell population sensor for determining a value indicative of the permittivity of a cell population having high measurement accuracy and enabling reliable measurements over a wide frequency range.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts im Rahmen einer Impedanzspektroskopie, aufweisend die folgenden Schritte: Erzeugen eines mit einer Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms durch die Zellpopulation; Messen einer Spannung in der Zellpopulation zwischen einer ersten Messelektrode und einer zweiten Messelektrode; Abtasten des Erregerstroms, wobei erste Abtastwerte für den Erregerstrom erzeugt werden; Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode, wobei zweite Abtastwerte für die Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode erzeugt werden; und Bestimmen des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf Basis der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte.Exemplary embodiments of the invention include a method for determining a value indicative of the permittivity of a cell population in the context of impedance spectroscopy, comprising the steps of: generating an excitation current oscillating at an excitation frequency through the cell population; Measuring a voltage in the cell population between a first measuring electrode and a second measuring electrode; Sampling the excitation current, generating first samples of the excitation current; Sensing the voltage between the first sensing electrode and the second sensing electrode, generating second voltage samples between the first sensing electrode and the second sensing electrode; and determining the value indicative of the permittivity of the cell population based on the first samples and the second samples.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen ein hochgenaues Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts über einen weiten Frequenzbereich. Das Abtasten des Erregerstroms und das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode ermöglichen das Erzeugen der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte zu genau festgelegten Zeitpunkten. Diese zeitlich diskretisierten Abtastwerte können nach dem Abtasten analysiert und zueinander in Beziehung gesetzt werden, ohne dass die dem Abtasten nachgelagerte Signalverarbeitung echtzeitfähig sein muss. Es kann eine vergleichsweise große, durch das Abtasten in der Zeitdimension klar definierte Datenbasis verwendet werden, um den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert hochgenau zu bestimmen. Gegenüber früheren Ansätzen, die darauf beruhen, charakteristische Eigenschaften der Zellpopulation durch eine komplizierte gemeinsame analoge Signalverarbeitung des Erregerstroms und der Spannung zwischen den Messelektroden zu ermitteln, ermöglichen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung ein Minimieren der Störeinflüsse nach dem Abtasten, da die Signalverarbeitung der diskretisierten Abtastwerte sehr robust ausgebildet werden kann. Die Störeinflüsse zwischen dem Messen von Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden sowie dem Abtasten von Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden können sehr gering gehalten werden im Vergleich zu den Störeinflüssen entlang der analogen Signalverarbeitungsketten der früheren Ansätze. Störanfällige Additionen, Multiplikationen und Integrationen von analogen Signalen für Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden, wie sie in früheren Ansätzen eingesetzt wurden, können eliminiert werden. Weiterhin kann das Abtasten des Erregerstroms und der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektroden auf die Erregerfrequenz abgestimmt sein, wodurch eine hohe Genauigkeit des Abtastens bei den relevanten Frequenzen und eine spektrale Begrenzung der Störeinflüsse ermöglicht werden kann.Exemplary embodiments of the invention enable a highly accurate determination of a value indicative of the permittivity of a cell population over a wide frequency range. Scanning the excitation current and sensing the voltage between the first sensing electrode and the second sensing electrode enable the first and second sensing samples to be generated at precisely predetermined times. These time discretized samples may be analyzed and correlated after sampling without the need for downstream signal processing to be real-time capable. A relatively large database clearly defined by sampling in the time dimension can be used to determine with high precision the value indicative of the permittivity of the cell population. Compared to previous approaches based on detecting characteristic cell population characteristics through complicated common analog signal processing of the excitation current and the voltage between the sensing electrodes, exemplary embodiments of the invention make it possible to minimize the parasitics after sampling since the signal processing of the discretized samples is very robust can be trained. The interference between the measurement of exciting current and voltage between the measuring electrodes as well as the sensing of excitation current and voltage between the measuring electrodes can be kept very low compared to the disturbances along the analog signal processing chains of the earlier approaches. Fault-prone additions, multiplications and integrations of analog signals for excitation current and voltage between the measuring electrodes, as used in earlier approaches, can be eliminated. Furthermore, the sampling of the excitation current and the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrodes can be tuned to the exciter frequency, whereby a high accuracy of the sampling at the relevant frequencies and a spectral limitation of the disturbing influences can be made possible.

Das Erzeugen des mit der Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms, das Messen der Spannung zwischen den Messelektroden, das Abtasten des Erregerstroms sowie das Abtasten der Spannung zwischen den Messelektroden finden gleichzeitig statt. In anderen Worten, es wird die Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode gemessen und abgetastet, während der mit der Erregerfrequenz oszillierende Erregerstrom an der Zellpopulation anliegt. Dementsprechend wird das elektrische Verhalten der Zellpopulation bei Anlegen des mit der Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms gemessen.The generation of the excitation current oscillating with the excitation frequency, the measurement of the voltage between the measuring electrodes, the scanning of the excitation current and the scanning of the voltage between the measuring electrodes take place simultaneously. In other words, the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode is measured and sampled, while the excitation current oscillating with the excitation frequency is applied to the cell population. Accordingly, the electrical behavior of the cell population is measured upon application of the excitation current oscillating with the exciter frequency.

Das Abtasten des Erregerstroms und das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und zweiten Messelektrode können ein Abtasten von abgeleiteten Werten von Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden sein. Beispielsweise kann für den Erregerstrom ein erstes Signal erzeugt werden, welches den Erregerstrom abbildet. Dieses erste Signal kann beispielsweise ein Spannungssignal sein. Das erste Signal kann dann direkt oder nach einer Verstärkung abgetastet werden. Auch eine solche Signalverarbeitung fällt im Sinne des vorliegenden Dokuments unter die Begriffe des Abtastens des Erregerstroms und des Erzeugens von ersten Abtastwerten für den Erregerstrom. Es ist weiterhin möglich, dass die Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode in Form eines zweiten Signals abgegriffen wird. Dieses zweite Signal kann auch entweder direkt oder verstärkt abgetastet werden. Wie beim Abtasten des Erregerstroms fällt auch eine solche Vorverarbeitung des zweiten Signals unter die Begriffe des Abtastens der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode und des Erzeugens von zweiten Abtastwerten im Sinne des vorliegenden Dokuments.The sampling of the excitation current and the sampling of the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode may include Scanning of derived values of excitation current and voltage between the measuring electrodes. For example, a first signal can be generated for the excitation current, which images the exciter current. This first signal may be, for example, a voltage signal. The first signal can then be sampled directly or after amplification. Also, such signal processing falls within the meaning of the present document under the concepts of scanning the excitation current and generating first samples for the excitation current. It is also possible that the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode is tapped in the form of a second signal. This second signal can also be sampled either directly or amplified. As with the sampling of the exciting current, such preprocessing of the second signal also falls within the concepts of sampling the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode and generating second sampling values in the sense of the present document.

Die Zellpopulation ist eine Ansammlung von biologischen Zellen. Insbesondere enthält die Zellpopulation einen signifikanten Anteil an lebenden Zellen. Die Zellen können in einem Trägermaterial vorhanden sein. Beispielsweise können die Zellen in Form einer Suspension in einer Trägerflüssigkeit aufgenommen sein. Der Begriff Zellpopulation kann die Ansammlung von biologischen Zellen inklusive des Trägermaterials bezeichnen.The cell population is an accumulation of biological cells. In particular, the cell population contains a significant proportion of living cells. The cells may be present in a carrier material. For example, the cells may be accommodated in the form of a suspension in a carrier liquid. The term cell population may refer to the accumulation of biological cells including the carrier material.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Abtasten des Erregerstroms und das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode jeweils ein Umwandeln eines analogen Signals in ein digitales Signal. Auf diese Weise liegen sowohl für den Erregerstrom als auch für die Spannung zwischen den Messelektroden zeitdiskrete und wertdiskrete Abtastwerte vor. Diese können vollkommen digital und losgelöst von der Realzeit weiterverarbeitet werden, wodurch sich für die Analyse von Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden große Flexibilität, Genauigkeit und Einheitlichkeit in der Weiterverarbeitung ergibt. Es können hochgenaue Ergebnisse über einen großen Frequenzbereich erzielt werden.In another embodiment, sensing the excitation current and sensing the voltage between the first sensing electrode and the second sensing electrode each include converting an analog signal to a digital signal. In this way, discrete-time and discrete-value samples are present both for the exciter current and for the voltage between the measuring electrodes. These can be processed completely digitally and detached from the real time, which results in great flexibility, accuracy and consistency in the further processing for the analysis of exciter current and voltage between the measuring electrodes. Highly accurate results over a wide frequency range can be achieved.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform, weist das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte auf: Einstellen einer ersten Abtastrate für das Abtasten des Erregerstroms und Einstellen einer zweiten Abtastrate für das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode. Insbesondere kann das Einstellen der ersten Abtastrate und/oder das Einstellen der zweiten Abtastrate auf Basis der Erregerfrequenz des Erregerstroms erfolgen. Dabei können die erste Abtastrate und die zweite Abtastrate gleich sein oder verschieden sein. Das Einstellen der ersten Abtastrate und das Einstellen der zweiten Abtastrate erlauben ein Anpassen des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts an die Rahmenbedingungen eines vorliegenden Messvorgangs, insbesondere an die Erregerfrequenz des Erregerstroms für den vorliegenden Messvorgang. Auf diese Weise ist es möglich, für jeden Messvorgang optimierte Abtastraten einzusetzen, insbesondere eine bezüglich Genauigkeit und/oder Signalverarbeitungskomplexität optimierte Abtastrate einzustellen. Die erste Abtastrate und die zweite Abtastrate werden für das Abtasten des Erregerstroms bzw. für das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode verwendet. Demzufolge werden die erste Abtastrate und die zweite Abtastrate vor dem Abtasten des Erregerstroms und der Spannung zwischen den Messelektroden eingestellt.According to a further embodiment, the method further comprises the following steps: setting a first sampling rate for sampling the excitation current and setting a second sampling rate for sampling the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode. In particular, the setting of the first sampling rate and / or the setting of the second sampling rate can be carried out on the basis of the exciter frequency of the exciter current. The first sampling rate and the second sampling rate may be the same or different. The setting of the first sampling rate and the setting of the second sampling rate make it possible to adapt the determination of the value indicating the permittivity of the cell population to the boundary conditions of a present measurement process, in particular to the exciter frequency of the exciter current for the present measurement process. In this way, it is possible to use optimized sampling rates for each measurement process, in particular to set a sampling rate optimized in terms of accuracy and / or signal processing complexity. The first sampling rate and the second sampling rate are used for sampling the exciting current or for sampling the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode. As a result, the first sampling rate and the second sampling rate are set prior to sampling the exciting current and the voltage between the measuring electrodes.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die erste Abtastrate und die zweite Abtastrate mindestens auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms eingestellt. Durch das Verwenden von dem mindestens 4-fachen der Erregerfrequenz des Erregerstroms für das Abtasten von Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden wird sichergestellt, dass Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden sehr genau abgetastet werden und dass keine Signalinformation um die Erregerfrequenz herum verloren geht. Das Abtasttheorem ist mit beruhigendem Abstand übererfüllt. Insbesondere können die erste Abtastrate und die zweite Abtastrate im Wesentlichen auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms oder sogar genau auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms eingestellt werden.According to a further embodiment, the first sampling rate and the second sampling rate are set to at least 4 times the excitation frequency of the excitation current. By using at least 4 times the excitation frequency of the excitation current for sensing excitation current and voltage between the measuring electrodes, it is ensured that excitation current and voltage between the measuring electrodes are sampled very accurately and that no signal information around the excitation frequency is lost. The sampling theorem is overreached with reassuring distance. In particular, the first sampling rate and the second sampling rate may be set at substantially 4 times the exciting frequency of the exciting current or even exactly 4 times the exciting frequency of the exciting current.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Erregerfrequenz des Erregerstroms zwischen 50 kHz und 20 MHz. Mit einem Erregerstrom in diesem Frequenzbereich können besonders relevante, die Permittivität der Zellpopulation anzeigende Werte ermittelt werden, welche insbesondere gut auf die Mengen und/oder die Größe und/oder Homogenität der lebenden Zellen der Biomasse schließen lassen. Der genannte Frequenzbereich liegt in dem sogenannten β-Dispersionsgebiet vieler Zellpopulationen, auf das unten im Detail eingegangen wird.According to another embodiment, the excitation frequency of the excitation current is between 50 kHz and 20 MHz. With an excitation current in this frequency range, particularly relevant values indicative of the permittivity of the cell population can be ascertained, which in particular give a good indication of the quantities and / or the size and / or homogeneity of the living cells of the biomass. The said frequency range lies in the so-called β-dispersion region of many cell populations, which will be discussed in detail below.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abtasten des Erregerstroms und das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode synchronisiert. Auf diese Weise kann eine hochgenaue Korrespondenz zwischen dem abgetasteten Erregerstrom und der abgetasteten Spannung zwischen den Messelektroden erreicht werden, wodurch die Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden hochgenau ermittelt werden kann, was wiederum bei einer hochgenauen Bestimmung des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts hilft. Unter einem synchronisierten Abtasten des Erregerstroms und der Spannung zwischen den Messelektroden wird hierin ein im Rahmen von Fertigungstoleranzen gleichzeitiges Abtasten bzw. ein Abtasten mit einem im Rahmen von Fertigungstoleranzen definierten Versatz verstanden. Der definierte Versatz kann im Nachhinein bei der Weiterverarbeitung der ersten und zweiten Abtastwerte berücksichtigt werden.According to a further embodiment, the scanning of the exciter current and the sampling of the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode is synchronized. In this way, a high-precision correspondence between the sampled excitation current and the sampled voltage between the measuring electrodes can be achieved, whereby the phase shift between excitation current and voltage between the measuring electrodes can be determined with high accuracy, which in turn highly accurate determination of the value indicative of the permittivity of the cell population. A synchronized scanning of the excitation current and the voltage between the measuring electrodes is understood herein to mean a simultaneous sampling within the scope of manufacturing tolerances or a sampling with an offset defined in the context of manufacturing tolerances. The defined offset can subsequently be taken into account in the further processing of the first and second samples.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schwankung des Abtastzeitpunkts, d.h. der Jitter, für das Abtasten des Erregerstroms und das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode kleiner als 500 fs. Eine solche Auslegung hilft, dass der Erregerstrom und die Spannung zwischen den Messelektroden wiederholt mit hoher Genauigkeit synchron abgetastet werden können.According to another embodiment, the variation of the sampling instant, i. the jitter for sampling the exciting current and sensing the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode is less than 500 fs. Such a design helps that the excitation current and the voltage between the measuring electrodes can be repeatedly sampled synchronously with high accuracy.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren das Schreiben der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte in einen Datenspeicher auf. Durch das Vorsehen eines Datenspeichers für das unmittelbare Aufnehmen der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte entsteht ein wohl definierter Ort, an dem die Information über den Erregerstrom und die Spannung zwischen den Messelektroden vorgehalten wird und von dem aus die Weiterverarbeitung ohne Echtzeitanforderungen und über eine Reihe von Abtastwerten hinweg erfolgen kann. Der Datenspeicher ist ein sicheres Depot für die aus Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden gewonnene Information. In einer weiteren Ausführungsform ist der Datenspeicher imstande, Daten mit einer Datenaufnahmerate von mindestens 1 Gbit/s aufzunehmen. Auf diese Weise kann eine vollständige Aufnahme der Abtastwerte auch bei hoher Abtastrate und hoher Auflösung gewährleistet werden.According to a further embodiment, the method comprises writing the first samples and the second samples into a data memory. The provision of a data memory for directly recording the first samples and the second samples produces a well-defined location at which the information about the excitation current and the voltage between the measuring electrodes is provided and from which the further processing without real-time requirements and over a series of Samples. The data memory is a safe depot for the information obtained from excitation current and voltage between the measuring electrodes. In another embodiment, the data store is capable of receiving data at a data acquisition rate of at least 1 Gbit / s. In this way, a complete recording of the samples can be ensured even at high sampling rate and high resolution.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts ein Anwenden einer komplexen Fourier-Transformation auf die ersten Abtastwerte und die zweiten Abtastwerte. Dabei kann insbesondere eine komplexe diskrete Fourier-Transformation zum Einsatz kommen. Die Abtastwerte des Erregerstroms und die Abtastwerte der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode können als jeweilige Realteile eines komplexen Strom- bzw. Spannungssignals angesehen werden. Mittels komplexer Fourier-Transformation, welche die ersten und zweiten Abtastwerte gemeinsam berücksichtigt, kann die komplexe Impedanz zwischen Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden bestimmt werden. Insbesondere kann dabei die komplexe Impedanz bei der Erregerfrequenz bestimmt werden, welche die Grundlage für den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert darstellen kann.According to another embodiment, the step of determining the value indicative of the permittivity of the cell population includes applying a complex Fourier transform to the first samples and the second samples. In particular, a complex discrete Fourier transformation can be used here. The samples of the exciting current and the samples of the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode may be considered as respective real parts of a complex current or voltage signal. By means of complex Fourier transformation, which takes into account the first and second samples together, the complex impedance between excitation current and voltage between the measuring electrodes can be determined. In particular, it is possible to determine the complex impedance at the excitation frequency, which can be the basis for the value indicating the permittivity of the cell population.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Schritt des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts mindestens einen der folgende Schritte auf: Bestimmen der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms; Bestimmen derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat; und Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung. Insbesondere kann der Schritt des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werte genau einen oder jede Untermenge oder alle der genannten Schritte aufweisen.According to a further embodiment, the step of determining the value indicative of the permittivity of the cell population comprises at least one of the following steps: determining the amplitude of the oscillating excitation current; Determining the spectral component of the voltage having the excitation frequency; and determining the phase shift between exciting current and said spectral component of the voltage. In particular, the step of determining the value indicative of the permittivity of the cell population may comprise exactly one or each subset or all of the said steps.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Schritt des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts den folgenden Schritt auf: Bestimmen des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf der Basis von einem oder mehreren von der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, der Amplitude derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, und der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung. Insbesondere können für das Bestimmen des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts die Amplitude des oszillierenden Erregerstroms sowie die Amplitude der genannten Spektralkomponente der Spannung sowie die Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung herangezogen werden. Insbesondere kann die Kapazität der Zellpopulation zwischen den Messelektroden auf Basis der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, der Amplitude der genannten Spektralkomponente der Spannung und der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung berechnet werden. Die Kapazität kann der die Permittivität der Zellpopulation anzeigende Wert sein. Es ist weiterhin möglich, dass die Permittivität aus der Kapazität bzw. direkt auf Basis der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, der Amplitude der genannten Spektralkomponente der Spannung und der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung bestimmt wird.According to a further embodiment, the step of determining the value indicative of the permittivity of the cell population comprises the step of: determining the value indicative of the permittivity of the cell population based on one or more of the amplitude of the oscillating excitation current, the amplitude of that spectral component of the voltage, which has the excitation frequency, and the phase shift between the exciting current and the said spectral component of the voltage. In particular, for determining the value indicative of the permittivity of the cell population, the amplitude of the oscillating excitation current as well as the amplitude of said spectral component of the voltage as well as the phase shift between exciting current and said spectral component of the voltage can be used. In particular, the capacity of the cell population between the measuring electrodes can be calculated on the basis of the amplitude of the oscillating excitation current, the amplitude of said spectral component of the voltage and the phase shift between exciting current and said spectral component of the voltage. The capacity may be the value indicative of the permittivity of the cell population. It is furthermore possible for the permittivity to be determined from the capacitance or directly on the basis of the amplitude of the oscillating exciter current, the amplitude of the said spectral component of the voltage and the phase shift between the excitation current and the said spectral component of the voltage.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der die Permittivität der Zellpopulation anzeigende Wert ein Kapazitätswert, insbesondere ein Kapazitätswert, der die Kapazität der Zellpopulation zwischen den Messelektroden charakterisiert, oder ein Permittivitätswert, insbesondere die Permittivität der Zellpopulation selbst.According to a further embodiment, the value indicative of the permittivity of the cell population is a capacitance value, in particular a capacitance value, which characterizes the capacity of the cell population between the measuring electrodes, or a permittivity value, in particular the permittivity of the cell population itself.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Abtastens des Erregerstroms ein Verstärken eines den Erregerstrom abbildenden ersten Signals, bevor die ersten Abtastwerte auf Basis des verstärkten ersten Signals erzeugt werden. Auf diese Weise können die Anforderungen an die Genauigkeit des Erzeugens der ersten Abtastwerte vergleichsweise gering gehalten werden. Das Verstärken des ersten Signals erlaubt es, geringe Variationen des Erregerstroms in einem größeren Maßstab darzustellen. Dabei kann es für die Gesamtkomplexität und/oder -genauigkeit des Gesamtsystems vorteilhaft sein, in eine hochlineare Verstärkung des ersten Signals zu investieren und dafür an das Abtasten des verstärkten ersten Signals geringere Anforderungen zu stellen.In another embodiment, the step of sampling the excitation current amplifying a first signal representative of the exciting current before generating the first samples based on the amplified first signal. In this way, the demands on the accuracy of generating the first samples can be kept comparatively low. The amplification of the first signal makes it possible to represent small variations of the excitation current on a larger scale. It may be advantageous for the overall complexity and / or accuracy of the overall system to invest in a highly linear amplification of the first signal and to make lower demands on the sampling of the amplified first signal.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Abtastens der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode ein Verstärken eines die Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode abbildenden zweiten Signals, bevor die zweiten Abtastwerte auf Basis des verstärkten zweiten Signals erzeugt werden. Die obigen Überlegungen bezüglich Gesamtkomplexität und/oder Gesamtgenauigkeit gelten entsprechend für das Erzeugen der zweiten Abtastwerten aus der zwischen den Messelektroden gemessenen Spannung.In another embodiment, the step of sensing the voltage between the first sensing electrode and the second sensing electrode includes amplifying a second signal representative of the voltage between the first sensing electrode and the second sensing electrode before generating the second sensing values based on the amplified second signal. The above considerations regarding overall complexity and / or overall accuracy apply mutatis mutandis to generating the second samples from the voltage measured between the measuring electrodes.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt des Erzeugens eines den Erregerstrom abbildenden ersten Signals über ein Messelement auf. Das Messelement kann dabei ein Messwiderstand sein. Insbesondere kann der Messwiderstand einen Widerstand von 30 Ω bis 50 Ω haben. Die ersten Abtastwerte können direkt aus dem über das Messelement gewonnenen ersten Signal erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, dass das erste Signal zuerst verstärkt wird, bevor die ersten Abtastwerte erzeugt werden.According to a further embodiment, the method comprises the step of generating a first signal representing the exciting current via a measuring element. The measuring element can be a measuring resistor. In particular, the measuring resistor may have a resistance of 30 Ω to 50 Ω. The first samples can be generated directly from the first signal obtained via the measuring element. However, it is also possible for the first signal to be amplified first before the first samples are generated.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Erzeugen des mit der Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms durch die Zellpopulation eine galvanische Entkopplung zwischen einer den Erregerstrom ausgebenden Wechselstromquelle, wie z.B. einem Oszillator, und der Zellpopulation. Die durch die Stromquelle verursachten kapazitiven Artefakte in der Zellpopulation können gering gehalten werden, so dass die galvanische Entkopplung weiterhin der hohen Messgenauigkeit hilft. Auch ist es möglich, über die galvanische Entkopplung externe störende Kopplungen im Bereich der Elektroden zu verringern. Die galvanische Entkopplung kann über einen Transformator, gegebenenfalls in Kombination mit einer Kapazität, erfolgen, wie unten im Detail beschrieben.According to a further embodiment, generating the excitation current oscillating with the excitation frequency through the cell population includes galvanic decoupling between an AC current source emitting the excitation current, e.g. an oscillator, and the cell population. The capacitive artifacts in the cell population caused by the current source can be kept low, so that the galvanic decoupling furthermore helps the high measuring accuracy. It is also possible to reduce external interfering couplings in the region of the electrodes via the galvanic decoupling. Galvanic decoupling may be via a transformer, optionally in combination with a capacitor, as described in detail below.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte auf: Bestimmen einer spektralen Leistung des Erregerstroms und derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat; Bestimmen der Gesamtleistung von Erregerstrom und Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode; und Bestimmen eines Maßes für die Messgenauigkeit des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf Basis der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung. Insbesondere kann das genannte Maß das Signal-Rausch-Verhältnis zwischen der genannten spektralen Leistung und der Rauschleistung sein. Die Rauschleistung kann dabei als die Differenz zwischen der Gesamtleistung und der genannten spektralen Leistung berechnet werden. Durch den Vergleich der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung kann eine Abschätzung getroffen werden, welcher Anteil der gemessenen Spannung zwischen den Messelektroden auf den Erregerstrom zurückzuführen ist, d.h. welcher Anteil der gemessenen Spannung das zu untersuchende Verhalten der Zellpopulation repräsentiert. Die Rauschleistung kann sowohl durch den Erregerstrom hervorgerufene Reaktionen der Zellpopulation bzw. der Messapparatur in anderen Frequenzen als der Erregerfrequenz als auch in der Zellpopulation anderweitig erzeugte Spannungen beinhalten. Dementsprechend ist das genannte Maß ein Indikator, zu welchem Grad die Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, verfälscht sein kann. Das Maß kann an einen Benutzer als zusätzliche Information ausgegeben werden. Es kann aber auch derart verarbeitet werden, dass das Bestimmen des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts entweder gleich oder zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt wird.According to another embodiment, the method further comprises the steps of: determining a spectral power of the exciting current and the spectral component of the voltage having the exciting frequency; Determining the total power of exciting current and voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode; and determining a measure of the measurement accuracy of the value indicative of the permittivity of the cell population based on said spectral power and the total power. In particular, said measure may be the signal-to-noise ratio between said spectral power and the noise power. The noise power can be calculated as the difference between the total power and the mentioned spectral power. By comparing said spectral power and the total power, an estimate can be made of what proportion of the measured voltage between the measuring electrodes is due to the excitation current, i. which proportion of the measured voltage represents the behavior of the cell population to be investigated. The noise power may include both the excitation current induced responses of the cell population and the measuring apparatus at frequencies other than the excitation frequency as well as voltages generated elsewhere in the cell population. Accordingly, said measure is an indicator of what degree the spectral component of the voltage having the excitation frequency may be corrupted. The measure may be output to a user as additional information. However, it may also be processed such that the determination of the value indicative of the permittivity of the cell population is repeated either equal to or at a later time.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung umfassen weiterhin ein Verfahren zum Herleiten von mindestens einer charakteristischen Eigenschaft einer Zellpopulation, aufweisend die folgenden Schritte: mehrmaliges Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, wobei bei dem mehrmaligen Durchführen des Verfahrens eine Mehrzahl von unterschiedlichen Erregerfrequenzen verwendet wird und eine Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten für die Mehrzahl von unterschiedlichen Erregerfrequenzen bestimmt wird; und Herleiten der mindestens einen charakteristischen Eigenschaft der Zellpopulation durch In-Beziehung-Setzen der Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten. Dabei kann das In-Beziehung-Setzen das Bilden einer Differenz zwischen zwei die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten beinhalten und/oder das Bestimmen der Steigung einer Kurve beinhalten, die durch die Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten gelegt ist, und/oder das Bestimmen eines Wendepunkts einer Kurve beinhalten, die durch die Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten gelegt ist, und/oder das Bestimmen von weiteren charakteristischen Eigenschaften der Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten beinhalten. Über diese charakteristischen Eigenschaften der Menge an gewonnen Werten kann auf charakteristische Eigenschaften der Zellpopulation rückgeschlossen werden. Durch das hochgenaue Bestimmen der Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten über einen vergleichsweise großen Frequenzbereich können auch die charakteristischen Eigenschaften der Zellpopulation mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.Exemplary embodiments of the invention further comprise a method for deriving at least one characteristic property of a cell population, comprising the following steps: performing the method several times to determine a value indicating the permittivity of a cell population according to one of the above-described embodiments, wherein performing the method several times using a plurality of different excitation frequencies and determining a plurality of cell population permittivity indicative values for the plurality of different excitation frequencies; and deriving the at least one characteristic of the cell population by relating the plurality of values indicative of the permittivity of the cell population. Herein, the relating may involve forming a difference between two values indicative of the permittivity of the cell population and / or determining the slope of a curve include determining the values indicative of the permittivity of the cell population, and / or determining a point of inflection of a curve set by the plurality of values indicative of the permittivity of the cell population, and / or determining further characteristic features of the plurality of values indicative of the permittivity of the cell population. It is possible to deduce the characteristic properties of the cell population via these characteristic properties of the amount of values obtained. By highly accurately determining the plurality of cell population permittivity indicative values over a relatively large frequency range, the characteristics of the cell population can also be determined with high accuracy.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das genannte Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts für zwischen 2 und 50 unterschiedliche Erregerfrequenzen durchgeführt. Insbesondere kann das Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts für zwischen 10 und 40 unterschiedliche Erregerfrequenzen, weiter insbesondere für zwischen 20 und 30 unterschiedliche Erregerfrequenzen durchgeführt werden. Es hat sich gezeigt, dass für die genannte Anzahl von Durchläufen des Verfahrens und die entsprechende Anzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten, insbesondere bei zwischen 10 und 40 unterschiedlichen Erregerfrequenzen bzw. weiter insbesondere bei zwischen 20 und 30 unterschiedlichen Erregerfrequenzen, ein guter Kompromiss zwischen Aufwendigkeit des Verfahrens zum Herleiten von mindestens einer charakteristischen Eigenschaft der Zellpopulation und Genauigkeit der Ergebnisse bezüglich der mindestens einen charakteristischen Eigenschaft der Zellpopulation erreicht werden kann. Insbesondere können für zwischen 10 und 40 unterschiedliche Erregerfrequenzen bzw. weiter insbesondere für zwischen 20 und 30 unterschiedliche Erregerfrequenzen besonders aussagekräftige Kurven des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts, insbesondere der Permittivität selbst, erstellt werden. Die genannte Anzahl an Werten erlaubt das Erstellen von Verläufen gegenüber der Erregerfrequenz mit ausreichender Genauigkeit, um charakteristische Eigenschaften wie Steigung und Wendepunkt mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.According to a further embodiment, said method is for determining a value indicative of the permittivity of a cell population for between 2 and 50 different exciter frequencies. In particular, the method for determining a permittivity of a cell population indicative value for between 10 and 40 different excitation frequencies, more particularly for between 20 and 30 different exciter frequencies can be performed. It has been found that for the stated number of runs of the method and the corresponding number of values indicative of the permittivity of the cell population, in particular at between 10 and 40 different exciter frequencies or more particularly between 20 and 30 different exciter frequencies, a good compromise between The complexity of the method for deriving at least one characteristic property of the cell population and accuracy of the results regarding the at least one characteristic property of the cell population can be achieved. In particular, particularly meaningful curves of the value indicative of the permittivity of the cell population, in particular of the permittivity itself, can be generated for between 10 and 40 different exciter frequencies, or more particularly for between 20 and 30 different exciter frequencies. The stated number of values allows the generation of paths with respect to the excitation frequency with sufficient accuracy to determine characteristic properties such as slope and turning point with high accuracy.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform stammen die unterschiedlichen Erregerfrequenzen aus einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz. Die Ausdrucksweise, dass die unterschiedlichen Erregerfrequenzen aus dem genannten Frequenzbereich stammen, bedeutet, dass mindestens der genannte Frequenzbereich von den unterschiedlichen Erregerfrequenzen abgedeckt ist. Dies wiederum bedeutet, dass die niedrigste Erregerfrequenz 100 kHz oder weniger beträgt und dass die höchste Erregerfrequenz 10 MHz oder mehr beträgt. In anderen Worten, die niedrigste Erregerfrequenz und die höchste Erregerfrequenz bilden eine dazwischen liegende Erregerfrequenz-Spanne, die mindestens den Bereich zwischen 100 kHz bis 10 MHz beinhaltet. Mit den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten für die Erregerfrequenzen von 100 kHz bis 10 MHz können ein oder mehrere charakteristische Eigenschaften von einer Vielzahl von Zellpopulationen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.According to a further embodiment, the different excitation frequencies come from a frequency range of 100 kHz to 10 MHz. The expression that the different excitation frequencies originate from said frequency range means that at least the said frequency range is covered by the different exciter frequencies. This in turn means that the lowest excitation frequency is 100 kHz or less and that the highest excitation frequency is 10 MHz or more. In other words, the lowest exciter frequency and the highest exciter frequency form an intermediate excitation frequency span, which includes at least the range between 100 kHz to 10 MHz. With the permittivity of the cell population indicative values for the excitation frequencies of 100 kHz to 10 MHz, one or more characteristic properties of a plurality of cell populations can be determined with high accuracy.

In einer weiteren Ausführungsform stammen die unterschiedlichen Erregerfrequenzen aus einem Frequenzbereich von 50 kHz bis 20 MHz. Es hat sich gezeigt, dass durch das oben beschriebene Abtasten des Erregerstroms sowie der Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode auch für einen solch großen Erregerfrequenzbereich zwischen 50 kHz und 20 MHz hochgenaue, die Permittivität der Zellpopulation anzeigende Werte bestimmt werden können. Dadurch kann das Herleiten der mindestens einen charakteristischen Eigenschaft der Zellpopulation nochmals verfeinert werden. Somit erlaubt das oben beschriebene Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts eine Erweiterung des Frequenzbereichs der Impedanzspektroskopie und somit eine umfassendere Bestimmung von einer oder mehreren charakteristischen Eigenschaften der Zellpopulation, ohne auf zusätzliche und aufwendigere Verfahren zurückgreifen zu müssen. Es ist auch möglich, dass das Verfahren auf einen erweiterten Bereich von Zellpopulationen angewendet werden kann.In a further embodiment, the different excitation frequencies come from a frequency range of 50 kHz to 20 MHz. It has been found that by the above-described scanning of the excitation current and the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode, even for such a large excitation frequency range between 50 kHz and 20 MHz, highly accurate values indicative of the permittivity of the cell population can be determined. As a result, the derivation of the at least one characteristic property of the cell population can be further refined. Thus, the above-described method for determining a permittivity of a cell population indicative of an increase in the frequency range of impedance spectroscopy and thus a more comprehensive determination of one or more characteristics of the cell population, without having to resort to additional and more expensive procedures. It is also possible that the method can be applied to an extended range of cell populations.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dauert jede Instanz des mehrmaligen Durchführens des Verfahrens zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts jeweils zwischen 10 ms und 100 ms. Insbesondere dauert jede Instanz des mehrmaligen Durchführens des Verfahrens zwischen 30 ms und 70 ms. Dementsprechend ist es möglich, eine oder mehrere charakteristische Eigenschaften einer Zellpopulation in einem sehr kurzen Zeitraum in der Größenordnung von wenigen Sekunden herzuleiten. Dadurch erlaubt das vorliegende Verfahren gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung eine für den Benutzer fast sofortige und damit extrem bequeme Bestimmung von einer oder mehreren charakteristischen Eigenschaften der Zellpopulation. Das Entnehmen von Proben einer Zellpopulation und das Zeit-versetzte bzw. Orts-versetzte Analysieren der Proben kann ausbleiben.According to another embodiment of the invention, each instance of performing the method of determining a value indicative of the permittivity of a cell population takes between 10 ms and 100 ms each time. In particular, each instance of repeated execution of the method lasts between 30 ms and 70 ms. Accordingly, it is possible to derive one or more characteristic features of a cell population in a very short period of time, on the order of a few seconds. Thus, the present method according to exemplary embodiments of the invention allows the user to have almost immediate and therefore extremely convenient determination of one or more characteristics of the cell population. The removal of samples of a cell population and the time-offset or spatially offset analysis of the samples can be omitted.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Herleiten der mindestens einen charakteristischen Eigenschaft der Zellpopulation ein Erstellen eines Verlaufs der die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werte über die unterschiedlichen Erregerfrequenzen. In anderen Worten, es kann eine Kurve durch die die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werte gegenüber der Erregerfrequenz gelegt werden. Dabei kann ein sogenanntes Cole-Cole-Fitting angewendet werden. Aus der resultierenden Kurve bzw. aus dem resultierenden Verlauf können dann Charakteristika wie z. B. Differenzen zwischen Endwerten, Steigungen und Wendepunkte ermittelt werden. Die die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werte können direkt die bestimmten Werte, wie oben beschrieben, oder kalibrierte Versionen der bestimmten Werte sein.According to a further embodiment, deriving the at least one characteristic characteristic of the cell population includes establishing a progression of the values indicative of the permittivity of the cell population over the different exciter frequencies. In other words, there can be a curve through which the permittivity of the Cell population indicative values are placed opposite the exciter frequency. In this case, a so-called Cole-Cole fitting can be used. From the resulting curve or from the resulting course then characteristics such. B. Differences between end values, slopes and turning points can be determined. The values indicative of the permittivity of the cell population may directly be the determined values as described above or calibrated versions of the determined values.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine charakteristische Eigenschaft der Zellpopulation mindestens eine Eigenschaft von Anzahl der lebenden Zellen, Größe der Zellen und Homogenität der Zellen.According to a further embodiment, the at least one characteristic property of the cell population comprises at least one property of number of living cells, size of the cells and homogeneity of the cells.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung umfassen weiterhin einen Zellpopulationssensor zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts, aufweisend: eine Oszillatorschaltung; eine erste Erregerelektrode und eine zweite Erregerelektrode, die mit der Oszillatorschaltung gekoppelt sind, wobei mittels der Oszillatorschaltung über die erste und die zweite Erregerelektrode ein mit einer Erregerfrequenz oszillierender Erregerstrom durch die Zellpopulation erzeugbar ist; eine erste Messelektrode und eine zweite Messelektrode zum Messen einer Spannung in der Zellpopulation zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode; eine erste Abtastschaltung, die mit der ersten Erregerelektrode und/oder der zweiten Erregerelektrode gekoppelt ist und im Betrieb erste Abtastwerte für den oszillierenden Erregerstrom bereitstellt; eine zweite Abtastschaltung, die mit der ersten und der zweiten Messelektrode gekoppelt ist und im Betrieb zweite Abtastwerte für die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode bereitstellt; und eine Datenverarbeitungseinrichtung, die mit der ersten Abtastschaltung und der zweiten Abtastschaltung gekoppelt ist und die konfiguriert ist, auf Basis der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert zu bestimmen. Die zusätzlichen Merkmale, Modifikationen und technischen Effekte, die oben mit Bezug auf das Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts beschrieben worden sind, gelten für den Zellpopulationssensor analog.Exemplary embodiments of the invention further include a cell population sensor for determining a value indicative of the permittivity of a cell population, comprising: an oscillator circuit; a first exciter electrode and a second exciter electrode, which are coupled to the oscillator circuit, wherein by means of the oscillator circuit via the first and the second excitation electrode an exciting current oscillating with an exciter frequency can be generated by the cell population; a first measuring electrode and a second measuring electrode for measuring a voltage in the cell population between the first and second measuring electrodes; a first sampling circuit coupled to the first excitation electrode and / or the second excitation electrode and providing in operation first samples of the oscillatory excitation current; a second sense circuit coupled to the first and second sense electrodes and in operation providing second samples of the voltage between the first and second sense electrodes; and data processing means coupled to the first sampling circuit and the second sampling circuit and configured to determine the value indicative of the permittivity of the cell population based on the first samples and the second samples. The additional features, modifications, and technical effects described above with respect to the method of determining a cell population permittivity indicative value are analogous to the cell population sensor.

Die erste und die zweite Abtastschaltung arbeiten im Betrieb gleichzeitig, d.h. die sie erzeugen die ersten Abtastwerte für den Erregerstrom und die zweiten Abtastwerte für die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode im gleichen Zeitraum. Weiterhin arbeiten die erste und die zweite Abtastschaltung im Betrieb dann, wenn der Erregerstrom in der Zellpopulation anliegt, d.h. die erste und die zweit Abtastschaltung arbeiten im gleichen Zeitraum wie die Oszillatorschaltung.The first and second sampling circuits operate simultaneously during operation, i. they generate the first samples for the exciting current and the second samples for the voltage between the first and second measuring electrodes in the same period. Furthermore, in operation, the first and second sampling circuits operate when the excitation current is present in the cell population, i. the first and the second sampling circuit operate in the same period as the oscillator circuit.

Der Begriff gekoppelt wird hierin verwendet, um anzuzeigen, dass ein Signal oder eine elektrische Größe von einer Entität zur anderen übertragen werden kann, d.h. dass irgendeine Art von Verbindung zwischen den Entitäten besteht. Es können allerdings andere Komponenten, wie z.B. Verstärker, Transformatoren oder andere elektrische Bauelemente, zwischengeschaltet sein.The term coupled is used herein to indicate that a signal or electrical quantity may be transmitted from one entity to another, i. that there is some kind of connection between the entities. However, other components, such as e.g. Amplifiers, transformers or other electrical components, be interposed.

Die erste Abtastschaltung kann entweder mit der ersten Erregerelektrode oder mit der zweiten Erregerelektrode gekoppelt sein. Sie kann auch mit beiden Erregerelektroden gekoppelt sein. Generell kann die erste Abtastschaltung in jeder geeigneten Art und Weise derart mit einer oder beiden Erregerelektroden gekoppelt sein, dass ein Messen des Erregerstroms möglich ist.The first sensing circuit may be coupled to either the first excitation electrode or the second excitation electrode. It can also be coupled to both exciter electrodes. In general, the first sensing circuit may be coupled in any suitable manner to one or both excitation electrodes such that measurement of the excitation current is possible.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Abtastschaltung ein erster Analog-Digital-Wandler und die zweite Abtastschaltung ein zweiter Analog-Digital-Wandler.According to a further embodiment, the first sampling circuit is a first analog-digital converter and the second sampling circuit is a second analog-digital converter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat die erste Abtastschaltung eine erste einstellbare Abtastrate hat und die zweite Abtastschaltung eine zweite einstellbare Abtastrate. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste einstellbare Abtastrate und die zweite einstellbare Abtastrate mindestens auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms einstellbar. Das heißt, die erste Abtastschaltung und die zweite Abtastschaltung sind imstande, das ankommende Signal mindestens mit dem 4-fachen der Erregerfrequenz abzutasten. In einer weiteren Ausführungsform sind die erste einstellbare Abtastrate und die zweite einstellbare Abtastrate im Wesentlichen auf das 4-fache bzw. genau auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms einstellbar.According to a further embodiment, the first sampling circuit has a first settable sampling rate and the second sampling circuit has a second settable sampling rate. According to a further embodiment, the first adjustable sampling rate and the second adjustable sampling rate are adjustable to at least 4 times the exciter frequency of the exciter current. That is, the first sampling circuit and the second sampling circuit are capable of sampling the incoming signal at least 4 times the exciting frequency. In a further embodiment, the first adjustable sampling rate and the second adjustable sampling rate are substantially adjustable to 4 times or exactly 4 times the excitation frequency of the exciter current.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Oszillatorschaltung eingerichtet, die Erregerfrequenz in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz einzustellen. Das heißt, dass die Oszillatorschaltung in der Lage ist, die Erregerfrequenz in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz einzustellen. Durch diese Formulierung ist nicht ausgeschlossen, dass die Oszillatorschaltung die Erregerfrequenz über den angegebenen Frequenzbereich hinaus einstellen kann. Vielmehr bedeutet die Formulierung, dass die Oszillatorschaltung imstande ist, die Erregerfrequenz mindestens in dem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz einzustellen. Insbesondere kann die Oszillatorschaltung eingerichtet sein, die Erregerfrequenz mindestens in einem Frequenzbereich von 50 kHz bis 20 MHz einzustellen.According to a further embodiment, the oscillator circuit is set up to set the excitation frequency in a frequency range from 100 kHz to 10 MHz. That is, the oscillator circuit is capable of adjusting the excitation frequency in a frequency range of 100 kHz to 10 MHz. This formulation does not exclude that the oscillator circuit can set the exciter frequency beyond the specified frequency range. Rather, the phrase means that the oscillator circuit is capable of adjusting the excitation frequency at least in the frequency range of 100 kHz to 10 MHz. In particular, the oscillator circuit can be set up to set the excitation frequency at least in a frequency range from 50 kHz to 20 MHz.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Abtastschaltung und die zweite Abtastschaltung bezüglich ihrer Abtastzeitpunkte synchronisiert.According to a further embodiment, the first sampling circuit and the second sampling circuit are synchronized with respect to their sampling times.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schwankung des Abtastzeitpunkts, d.h. der Jitter, der ersten Abtastschaltung und der zweiten Abtastschaltung kleiner als 500 fs. Eine solche Auslegung hilft, dass der Erregerstrom und die Spannung zwischen den Messelektroden wiederholt mit hoher Genauigkeit synchron abgetastet werden können. According to a further embodiment, the variation of the sampling time, ie the jitter, the first sampling circuit and the second sampling circuit is less than 500 fs. Such a design helps that the excitation current and the voltage between the measuring electrodes can be repeatedly sampled synchronously with high accuracy.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Abtastschaltung und die zweite Abtastschaltung mit der Datenverarbeitungseinrichtung über einen Datenspeicher gekoppelt, wobei der Datenspeicher insbesondere eine Datenaufnahmerate von mindestens 1 Gbit/s hat. Die Datenaufnahmerate von mindestens 1 Gbit/s beschreibt eine mögliche Datenaufnahmerate von mindestens 1 Gbit/s. Die Daten müssen von dem Datenspeicher nicht in dieser Geschwindigkeit aufgenommen werden. Da die Abtastfrequenz von der Erregerfrequenz abhängen kann, können sich im Betrieb für verschiedene Erregerfrequenzen verschiedene Datenaufnahmeraten an dem Datenspeicher ergeben.According to a further embodiment, the first sampling circuit and the second sampling circuit are coupled to the data processing device via a data memory, the data memory in particular having a data acquisition rate of at least 1 Gbit / s. The data acquisition rate of at least 1 Gbit / s describes a possible data acquisition rate of at least 1 Gbit / s. The data does not need to be picked up by the data store at this speed. Since the sampling frequency may depend on the excitation frequency, different data acquisition rates on the data memory may result in operation for different exciter frequencies.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet, den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert mittels komplexer Fourier-Transformation aus den ersten Abtastwerten und den zweiten Abtastwerten zu bestimmen.According to a further embodiment, the data processing device is set up to determine the value indicative of the permittivity of the cell population by means of complex Fourier transformation from the first samples and the second samples.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet, mindestens eine von Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, Amplitude derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, und Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung aus den ersten Abtastwerten und den zweiten Abtastwerten zu bestimmen. Insbesondere kann die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet sein, genau einen oder eine Untermenge oder alle der genannten Werte zu bestimmen.According to a further embodiment, the data processing device is set up to determine at least one of the amplitude of the oscillating excitation current, the amplitude of the spectral component of the voltage having the excitation frequency, and the phase shift between the excitation current and the said spectral component of the voltage from the first samples and the second samples. In particular, the data processing device can be set up to determine exactly one or a subset or all of the named values.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet, den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert auf der Basis von einem oder mehreren von der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, der Amplitude derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, und der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung zu bestimmen. Insbesondere kann die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet sein, den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert auf der Basis von der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms sowie der Amplitude der genannten Spektralkomponente der Spannung sowie der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung zu bestimmen.According to a further embodiment, the data processing device is set up, the value indicative of the permittivity of the cell population based on one or more of the amplitude of the oscillating excitation current, the amplitude of that spectral component of the voltage having the excitation frequency, and the phase shift between the excitation current and the said Spectral component to determine the voltage. In particular, the data processing device can be set up to determine the value indicative of the permittivity of the cell population on the basis of the amplitude of the oscillating excitation current as well as the amplitude of said spectral component of the voltage and the phase shift between exciting current and said spectral component of the voltage.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der die Permittivität der Zellpopulation anzeigende Wert ein Kapazitätswert oder ein Permittivitätswert, insbesondere die Permittivität der Zellpopulation selbst.According to a further embodiment, the value indicative of the permittivity of the cell population is a capacitance value or a permittivity value, in particular the permittivity of the cell population itself.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Abtastschaltung über einen erste Verstärkerschaltung mit der ersten Erregerelektrode und/oder der zweiten Erregerelektrode gekoppelt und die zweite Abtastschaltung über eine zweite Verstärkerschaltung mit der ersten und der zweiten Messelektrode gekoppelt.According to a further embodiment, the first sampling circuit is coupled to the first excitation electrode and / or the second excitation electrode via a first amplifier circuit, and the second sampling circuit is coupled to the first and the second measuring electrodes via a second amplifier circuit.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Messelement, insbesondere ein Messwiderstand, mit der ersten Erregerelektrode oder der zweiten Erregerelektrode gekoppelt, und die erste Abtastschaltung ist eingerichtet, die ersten Abtastwerte für den oszillierenden Erregerstrom auf Basis des Spannungsabfalls an dem Messelement bereitzustellen. Aus Symmetriegründen können beide Erregerelektroden jeweils mit einem Messelement, insbesondere mit einem Messwiderstand, gekoppelt sein, auch wenn die erste Abtastschaltung nur mit einem der Messelemente gekoppelt ist.According to a further embodiment, a measuring element, in particular a measuring resistor, is coupled to the first exciter electrode or the second exciter electrode, and the first scanning circuit is arranged to provide the first samples for the oscillating exciter current on the basis of the voltage drop across the measuring element. For symmetry reasons, both excitation electrodes can each be coupled to a measuring element, in particular to a measuring resistor, even if the first sampling circuit is coupled to only one of the measuring elements.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Oszillatorschaltung über einen Transformator mit der ersten Erregerelektrode und der zweiten Erregerelektrode gekoppelt ist.According to a further embodiment, the oscillator circuit is coupled via a transformer to the first exciter electrode and the second exciter electrode.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat der Transformator eine parallele Kapazität von 0,5 pF bis 10 pF, insbesondere eine parallele Kapazität von 1 bis 5 pF. According to another embodiment, the transformer has a parallel capacitance of 0.5 pF to 10 pF, in particular a parallel capacitance of 1 to 5 pF.

Die parallele Kapazität kann ein diskretes Bauteil, wie beispielsweise ein parallel zu dem Transformator angeordneter Kondensator, sein. Es ist aber auch möglich, dass die parallele Kapazität eine parasitäre Kapazität des Transformators ist, wobei der Transformator so ausgeführt ist, dass die parallele Kapazität in dem angegebenen Wertebereich liegt. Der Begriff parallele Kapazität bezeichnet eine Kopplungskapazität zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators. Mit einer parallelen Kapazität kann der Einfluss von störenden Kopplungskapazitäten, wie sie zum Beispiel zwischen den Elektroden und der Wand eines Behälters für die Zellpopulation oder zwischen den Elektroden und anderen vorhandenen Sensoren vorliegen können, gering gehalten werden. Da bei Vorliegen der zu dem Transformator parallelen Kapazität und anderen Kopplungskapazitäten oft die kleinere Kapazität bestimmend ist, kann der Einfluss einer unerwünschten störenden Kopplungskapazität auf die Größe der parallelen Kapazität reduziert werden.The parallel capacitance may be a discrete component, such as a capacitor arranged in parallel with the transformer. But it is also possible that the parallel capacitance is a parasitic capacitance of the transformer, wherein the transformer is designed so that the parallel capacitance is in the specified value range. The term parallel capacitance denotes a coupling capacitance between the primary side and the secondary side of the transformer. With a parallel capacitance, the influence of interfering coupling capacitances, such as may exist between the electrodes and the wall of a container for the cell population or between the electrodes and other existing sensors, can be minimized. Since, in the presence of the capacitance parallel to the transformer and other coupling capacitances, the smaller capacitance often determines, the influence of an undesired disturbing coupling capacitance on the size of the parallel capacitance can be reduced.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet, eine spektrale Leistung des Erregerstroms und derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, zu bestimmen und die Gesamtleistung von Erregerstrom und Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode zu bestimmen. Weiterhin kann die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet sein, ein Maß für die Messgenauigkeit des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf Basis der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung zu bestimmen, wobei das Maß insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis auf Basis der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung ist. According to a further embodiment, the data processing device is set up to determine a spectral power of the exciter current and the spectral component of the voltage which has the excitation frequency and to determine the total power of excitation current and voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode. Furthermore, the data processing device can be set up to determine a measure of the measurement accuracy of the value indicative of the permittivity of the cell population on the basis of said spectral power and the total power, wherein the measure in particular the signal-to-noise ratio on the basis of said spectral power and the total power is.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Leiter zwischen der ersten Abtastschaltung und der ersten und/oder zweiten Erregerelektrode und die Leiter zwischen der zweiten Abtastschaltung und der ersten und der zweiten Messelektrode im Wesentlichen gleich lang. Der Begriff im Wesentlichen gleich lang bedeutet, dass die Leiter zwischen der zweiten Abtastschaltung und der ersten und der zweiten Messelektrode zwischen 90% und 110% der Länge der Leiter zwischen der ersten Abtastschaltung und der ersten und/oder zweiten Erregerelektrode haben, insbesondere zwischen 95% und 105%.According to a further embodiment, the conductors between the first scanning circuit and the first and / or second excitation electrode and the conductors between the second sensing circuit and the first and the second measuring electrodes are substantially equal in length. The term essentially the same length means that the conductors between the second scanning circuit and the first and the second measuring electrodes have between 90% and 110% of the length of the conductors between the first scanning circuit and the first and / or second exciter electrode, in particular between 95%. and 105%.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Zellpopulationssensor weiterhin eine Steuereinheit auf, die mit der Oszillatorschaltung gekoppelt ist und die Oszillatorschaltung im Betrieb veranlasst, nacheinander mit unterschiedlichen Erregerfrequenzen oszillierende Erregerströme durch die Zellpopulation zu erzeugen. Weiterhin kann die Steuereinheit mit der ersten Abtastschaltung und der zweiten Abtastschaltung gekoppelt sein und eingerichtet sein, die momentan erzeugte Erregerfrequenz an die erste und die zweite Abtastschaltung zu übermitteln. Die erste und zweite Abtastschaltung können dementsprechend die Abtastrate einstellen. Die Steuereinheit kann auch eingerichtet sein, die momentan erzeugte Erregerfrequenz an die Datenverarbeitungseinrichtung zu übermitteln.According to a further embodiment, the cell population sensor further comprises a control unit, which is coupled to the oscillator circuit and causes the oscillator circuit in operation to generate successively oscillating excitation currents through the cell population with different exciter frequencies. Furthermore, the control unit may be coupled to the first sampling circuit and the second sampling circuit and configured to transmit the currently generated excitation frequency to the first and the second sampling circuit. The first and second sampling circuits can accordingly set the sampling rate. The control unit can also be set up to transmit the currently generated excitation frequency to the data processing device.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung umfassen weiterhin ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt, welches Programmanweisungen enthält, die bei Ausführung auf einer Datenverarbeitungsanlage ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen durchführen. Dabei können die einzelnen Schritte des Verfahrens durch die Programmanweisungen veranlasst werden und durch andere Komponenten ausgeführt werden oder in der Datenverarbeitungsanlage selbst ausgeführt werden.Exemplary embodiments of the invention further comprise a computer program or a computer program product which contains program instructions which, when executed on a data processing system, perform a method according to one of the embodiments described above. The individual steps of the method can be initiated by the program instructions and executed by other components or executed in the data processing system itself.

Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden unten mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben.

  • 1 zeigt einen Zellpopulationssensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht;
  • 2 zeigt einen Zellpopulationssensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, teilweise dargestellt als Blockschaltbild und teilweise dargestellt als Schaltungsdiagramm;
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Herleiten von mindestens einer charakteristischen Eigenschaft einer Zellpopulation gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
  • 4 zeigt einen beispielhaften Verlauf von Permittivitätswerten gegenüber der Erregerfrequenz und illustriert das Herleiten von charakteristischen Eigenschaften der Zellpopulation.
Further exemplary embodiments of the invention will be described below with reference to the accompanying figures.
  • 1 shows a cell population sensor according to an exemplary embodiment of the invention in a side view;
  • 2 shows a cell population sensor according to an exemplary embodiment of the invention, partially shown as a block diagram and partially shown as a circuit diagram;
  • 3 FIG. 10 is a flowchart for a method for deriving at least one characteristic of a cell population according to an exemplary embodiment of the invention; FIG. and
  • 4 shows an exemplary course of permittivity values against the excitation frequency and illustrates the derivation of characteristic properties of the cell population.

1 zeigt einen Zellpopulationssensor 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht. Der Zellpopulationssensor 2 ist zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts ausgebildet, wie unten beschrieben ist. Der Zellpopulationssensor 2 ist zum Eintauchen in die zu analysierende Zellpopulation ausgebildet. Zu diesem Zweck hat der Zellpopulationssensor 2 einen Stab-förmigen Sensorkörper 4, der in 1 abgeschnitten gezeigt ist. Der Stab-förmige Sensorkörper 4 kann eine geeignete Länge haben, so dass die Analyse der Zellpopulation an einer gewünschten Stelle in einem Behälter bzw. Reaktor stattfinden kann, welcher die Zellpopulation beinhaltet. An dem Ende des Sensorkörpers 4 ist ein Sensorkopf 6 angebracht. 1 shows a cell population sensor 2 according to an exemplary embodiment of the invention in a side view. The cell population sensor 2 is designed to determine a value indicative of the permittivity of a cell population, as described below. The cell population sensor 2 is designed for immersion in the cell population to be analyzed. For this purpose, the cell population sensor has 2 a rod-shaped sensor body 4 who in 1 is shown cut off. The rod-shaped sensor body 4 may be of suitable length such that analysis of the cell population may take place at a desired location in a vessel containing the cell population. At the end of the sensor body 4 is a sensor head 6 appropriate.

Der Sensorkopf 6 hat vier Elektroden. Insbesondere hat der Sensorkopf 6 eine erste Erregerelektrode 8, eine zweite Erregerelektrode 10, eine erste Messelektrode 12 und eine zweite Messelektrode 14. In der beispielhaften Ausführungsform von 1 sind die vier Elektroden 8, 10, 12, 14 länglich ausgebildet. Sie verlaufen im Wesentlichen parallel zu der Erstreckungsrichtung des Sensorkörpers 4. Es wird betont, dass die vier Elektroden auch in anderen geometrischen Konfigurationen vorliegen können, z.B. in der Form von Ringen oder Ringsektoren um den Sensorkopf herum.The sensor head 6 has four electrodes. In particular, the sensor head has 6 a first exciter electrode 8th , a second excitation electrode 10 , a first measuring electrode 12 and a second measuring electrode 14 , In the exemplary embodiment of 1 are the four electrodes 8th . 10 . 12 . 14 elongated. They run essentially parallel to the extension direction of the sensor body 4 , It is emphasized that the four electrodes may also be in other geometric configurations, eg in the form of rings or ring sectors around the sensor head.

In der beispielhaften Ausführungsform von 1 sind sowohl der Sensorkörper 4 als auch der die Elektroden tragende Teil des Sensorkopfs 6 zylinderförmig ausgebildet. Sensorkörper 4 und Sensorkopf 6 können aber auch eine andere geometrische Grundstruktur haben. In the exemplary embodiment of 1 are both the sensor body 4 as well as the electrode carrying part of the sensor head 6 cylindrically shaped. sensor body 4 and sensor head 6 But they can also have a different basic geometric structure.

In der beispielhaften Ausführungsform von 1 sind die erste Erregerelektrode 8 und die zweite Erregerelektrode 10 an diametral gegenüberliegenden Stellen des Sensorkopfs 6 angeordnet. Die erste Messelektrode 12 und die zweite Messelektrode 14 sind auf einer Seite des Sensorkopfs 6, in der Sichtweise von 1 auf der dem Betrachter zugewandten Seite des Sensorkopfs 6, zwischen der ersten Erregerelektrode 8 und der zweiten Erregerelektrode 10 angeordnet.In the exemplary embodiment of 1 are the first excitation electrode 8th and the second excitation electrode 10 at diametrically opposite locations of the sensor head 6 arranged. The first measuring electrode 12 and the second measuring electrode 14 are on one side of the sensor head 6 , in the view of 1 on the side facing the viewer of the sensor head 6 , between the first excitation electrode 8th and the second excitation electrode 10 arranged.

Dabei ist die erste Messelektrode 12 näher der ersten Erregerelektrode 8 angeordnet und die zweite Messelektrode 14 näher der zweiten Erregerelektrode 10 angeordnet. Weiterhin sind die erste und die zweite Messelektrode 12, 14 der ersten und zweiten Erregerelektrode 8, 10 vergleichsweise nah angeordnet. Insbesondere sind die erste und zweite Messelektrode 12, 14 der ersten und zweiten Erregerelektrode 8, 10 näher als einer gedachten Mittellinie zwischen der ersten Erregerelektrode 8 und der zweiten Erregerelektrode 10. Durch die Anordnung der Messelektroden 12, 14 zwischen den Erregerelektroden 8, 10 und in der Nähe der Erregerelektroden 8, 10 kann eine vergleichsweise hohe Spannung bei Anliegen des Erregerstroms gemessen werden.Here is the first measuring electrode 12 closer to the first exciter electrode 8th arranged and the second measuring electrode 14 closer to the second excitation electrode 10 arranged. Furthermore, the first and second measuring electrodes 12 . 14 the first and second excitation electrodes 8th . 10 arranged comparatively close. In particular, the first and second measuring electrodes 12 . 14 the first and second excitation electrodes 8th . 10 closer than an imaginary center line between the first excitation electrode 8th and the second excitation electrode 10 , By the arrangement of the measuring electrodes 12 . 14 between the exciter electrodes 8th . 10 and near the excitation electrodes 8th . 10 For example, a comparatively high voltage can be measured when the exciter current is applied.

2 zeigt einen Zellpopulationssensor 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, teilweise in einem Blockdiagramm und teilweise in einem Schaltungsdiagramm dargestellt. Die Komponenten des Zellpopulationssensors 2 der 2 können in einem Zellpopulationssensor der in 1 gezeigten körperlichen Gestalt vorhanden sein. Das heißt, bei dem schaltungstechnischen bzw. signalverarbeitungstechnischen Aufbau des Zellpopulationssensors 2 der 2 kann es sich um den Aufbau der elektrischen Komponenten des Zellpopulationssensors 2 der 1 handeln. Dabei können die Komponenten, die in 2 rechts von den kreisförmig gezeichneten Kopplungspunkten gezeigt sind, in dem Sensorkörper 4 oder in einem darin anschließenden Bauteil untergebracht sein. 2 shows a cell population sensor 2 according to an exemplary embodiment of the invention, partially in a block diagram and partially in a circuit diagram. The components of the cell population sensor 2 the 2 can in a cell population sensor of the 1 be present physical form shown. That is, in the circuitry and signal processing technology structure of the cell population sensor 2 the 2 It may be the structure of the electrical components of the cell population sensor 2 the 1 act. In doing so, the components that are in 2 are shown to the right of the circular drawn coupling points in the sensor body 4 or be housed in a subsequent component.

Der Zellpopulationssensor 2 hat die oben beschriebenen erste Erregerelektrode 8, zweite Erregerelektrode 10, erste Messelektrode 12 und zweite Messelektrode 14. Die vier Elektroden 8, 10, 12, 14 sind von außen zugänglich, d.h. sie stehen mit der Zellpopulation in Kontakt, wenn der Zellpopulationssensor 2 zur Analyse der Zellpopulation in die Zellpopulation eingetaucht ist. Weiterhin ist ein Temperatursensor 58 vorgesehen, der außerhalb des Gehäuses des Zellpopulationssensors 2 liegt.The cell population sensor 2 has the first excitation electrode described above 8th , second excitation electrode 10 , first measuring electrode 12 and second measuring electrode 14 , The four electrodes 8th . 10 . 12 . 14 are accessible from the outside, ie they are in contact with the cell population when the cell population sensor 2 immersed in the cell population for analysis of the cell population. Furthermore, a temperature sensor 58 provided outside the housing of the cell population sensor 2 lies.

Der Zellpopulationssensor 2 weist eine Oszillatorschaltung 16, eine Signal-Erfassungs- und Aufbereitungs-Schaltung 25, einen Datenspeicher 36, eine Datenverarbeitungseinrichtung 40, eine Steuereinheit 56 und eine Power-Management-Einheit 38 auf. Die einzelnen Komponenten und die Funktionsweise dieser Teilsysteme werden im Folgenden detailliert beschreiben.The cell population sensor 2 has an oscillator circuit 16 , a signal detection and conditioning circuit 25 , a data store 36 , a data processing device 40 , a control unit 56 and a power management unit 38 on. The individual components and the mode of operation of these subsystems will be described in detail below.

Die Oszillatorschaltung 16 weist einen Oszillator 18 auf, der mit einem Oszillationsverstärker 20 gekoppelt ist, welcher wiederum mit einem Transformator 22 gekoppelt ist. Der Oszillator 18 wird über einen Steuereingang mit der gewünschten Erregerfrequenz EF versorgt. Die Erregerfrequenz EF wird von der Steuereinheit 56 festgelegt, wie unten im Detail beschrieben, und an den Oszillator 18 übergeben. Der Oszillator 18 erzeugt eine Schwingung mit der Erregerfrequenz EF, welche an den Oszillationsverstärker 20 übergeben wird. Der Oszillationsverstärker 20 erzeugt einen Erregerstrom mit der Erregerfrequenz EF durch die Primärwicklung des Transformators 22. Per Induktion wird der Erregerstrom auf die Sekundärwicklung des Transformators 22 übertragen, von wo aus der Strom an die erste und die zweite Erregerelektrode 8, 10 angelegt wird. Dabei ist das eine Ende der Sekundärwicklung über einen ersten Widerstand 24 mit der ersten Erregerelektrode 8 verbunden und das zweite Ende der Sekundärwicklung über einen zweiten Widerstand 26 mit der zweiten Erregerelektrode 10 verbunden. Somit ergibt sich ein geschlossener Stromkreis von dem ersten Ende der Sekundärwicklung durch den ersten Widerstand 24, über die erste Erregerelektrode 8 durch die Zellpopulation zu der zweiten Erregerelektrode 10, und durch den zweiten Widerstand 26 zu dem zweiten Ende der Sekundärwicklung. Auf diese Weise wird ein mit der Erregerfrequenz EF oszillierender Erregerstrom durch die Zellpopulation zwischen der ersten Erregerelektrode und der zweiten Erregerelektrode 10 erzeugt. In der beispielhaften Ausführungsform der 2 ist der Erregerstrom ein sinusförmiger, mit der Erregerfrequenz EF oszillierender Erregerstrom. Weiterhin hat der Erregerstrom in der beispielhafter Ausführungsform der 2 eine Amplitude von 1 Vpp bis 2 Vpp.The oscillator circuit 16 has an oscillator 18 on that with an oscillation amplifier 20 coupled, which in turn with a transformer 22 is coupled. The oscillator 18 is via a control input with the desired excitation frequency EF provided. The excitation frequency EF is from the control unit 56 as described in detail below, and to the oscillator 18 to hand over. The oscillator 18 generates a vibration with the exciter frequency EF which are connected to the oscillation amplifier 20 is handed over. The oscillation amplifier 20 generates a field current with the excitation frequency EF through the primary winding of the transformer 22 , By induction, the excitation current is applied to the secondary winding of the transformer 22 from where the power to the first and the second excitation electrode 8th . 10 is created. In this case, that is one end of the secondary winding via a first resistor 24 with the first excitation electrode 8th connected and the second end of the secondary winding via a second resistor 26 with the second excitation electrode 10 connected. Thus, a closed circuit results from the first end of the secondary winding through the first resistor 24 , via the first exciter electrode 8th through the cell population to the second excitation electrode 10 , and by the second resistance 26 to the second end of the secondary winding. In this way, one with the exciter frequency EF oscillating excitation current through the cell population between the first excitation electrode and the second excitation electrode 10 generated. In the exemplary embodiment of the 2 the excitation current is a sinusoidal, with the exciter frequency EF oscillating excitation current. Furthermore, the exciting current in the exemplary embodiment of the 2 an amplitude of 1 Vpp to 2 Vpp.

Der Transformator 22 sorgt für eine galvanische Entkopplung zwischen dem Oszillationsverstärker 20 und der ersten und zweiten Erregerelektrode 8, 10. Es kann eine Kopplungskapazität parallel zu dem Transformator 22 vorgesehen sein. Man kann dann auch davon sprechen, dass der Transformator 22 eine parallele Kapazität hat, welche zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung vorhanden ist. Die parallele Kapazität kann ein diskretes Bauteil oder eine parasitäre Kapazität des Transformators sein. Die parallele Kapazität kann durch ihre Anordnung parallel zu dem Transformator störenden Einflüssen von anderen Kopplungskapazitäten, wie beispielsweise Kopplungskapazitäten zwischen den Elektroden und dem Behälter der Zellpopulation und/oder Kopplungskapazitäten zwischen den Elektroden und anderen in der Zellpopulation vorhandenen Sensoren, entgegenwirken. Die parallele Kapazität kann zwischen 1 pF und 5 pF betragen.The transformer 22 provides a galvanic decoupling between the oscillation amplifier 20 and the first and second excitation electrodes 8th . 10 , It can have a coupling capacity in parallel with the transformer 22 be provided. You can also talk about that transformer 22 has a parallel capacitance existing between the primary winding and the secondary winding. The parallel capacitance may be a discrete component or a parasitic capacitance of the transformer. The parallel capacitance, by placing it in parallel with the transformer, can counteract interfering influences from other coupling capacities, such as coupling capacitances between the electrodes and the cell population receptacle and / or coupling capacitances between the electrodes and other sensors present in the cell population. The parallel capacitance can be between 1 pF and 5 pF.

Durch den mit der Erregerfrequenz EF oszillierenden Erregerstrom zwischen der ersten Erregerelektrode 8 und der zweiten Erregerelektrode 10 entsteht eine Wechselspannung zwischen der ersten Messelektrode 12 und der zweiten Messelektrode 14. Sowohl der Erregerstrom als auch die Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14 werden durch die Signal-Erfassungs- und Aufbereitungs-Schaltung 25 erfasst und abgetastet. Am Ende der Signalverarbeitung in der Signal-Erfassungs- und Aufbereitungs-Schaltung 25 stehen Digitalsignale für den Erregerstrom und die Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14. By the oscillating with the excitation frequency EF excitation current between the first excitation electrode 8th and the second excitation electrode 10 creates an AC voltage between the first measuring electrode 12 and the second measuring electrode 14 , Both the excitation current and the voltage between the measuring electrodes 12 . 14 be through the signal detection and conditioning circuit 25 recorded and sampled. At the end of signal processing in the signal acquisition and conditioning circuit 25 are digital signals for the excitation current and the voltage between the measuring electrodes 12 . 14 ,

Ein erstes Signal, welches den Erregerstrom abbildet, wird auf folgende Weise gewonnen. Der zweite Widerstand 26 fungiert als Messwiderstand für den Erregerstrom. Die Spannung über den Messwiderstand 26 wird mittels zweier Leiter abgegriffen und als das erste Signal einer ersten Verstärkerschaltung 28 zugeführt. Das verstärkte erste Signal wird dem ersten Analog-Digital-Wandler 32 zugeführt. Dort wird das verstärkte erste Signal in ein digitales Signal umgewandelt d.h. das verstärkte erste Signal wird abgetastet und quantisiert. Die resultierenden ersten Abtastwerte werden an den Datenspeicher 36 ausgegeben. Es ist ersichtlich, dass der erste Widerstand 24 nicht für die Gewinnung des ersten Signals erforderlich ist. Aus Symmetriegründen ist der erste Widerstand 24 jedoch trotzdem vorgesehen. Weiterhin ist ersichtlich, dass das Abgreifen eines den Erregerstrom abbildenden Signals auch an dem ersten Widerstand 24 stattfinden kann. Das heißt, die erste Verstärkerschaltung könnte auch mit der ersten Erregerelektrode 8 bzw. dem ersten Widerstand 24 gekoppelt sein. Der erste Widerstand 24 und der zweite Widerstand 26 können jeweils einen Wert von 30 Ω bis 50 Ω haben.A first signal, which maps the exciting current, is obtained in the following way. The second resistance 26 acts as a measuring resistor for the excitation current. The voltage across the measuring resistor 26 is tapped by means of two conductors and as the first signal of a first amplifier circuit 28 fed. The amplified first signal becomes the first analog-to-digital converter 32 fed. There, the amplified first signal is converted into a digital signal, ie the amplified first signal is sampled and quantized. The resulting first samples are applied to the data memory 36 output. It can be seen that the first resistance 24 not required for obtaining the first signal. For symmetry reasons, the first resistance 24 but still provided. Furthermore, it can be seen that the picking up of an exciting current imaging signal also at the first resistor 24 can take place. That is, the first amplifier circuit could also be connected to the first excitation electrode 8th or the first resistor 24 be coupled. The first resistance 24 and the second resistance 26 can each have a value of 30 Ω to 50 Ω.

Die Spannung zwischen der ersten Messelektrode 12 und der zweiten Messelektrode 14 bildet ein zweites Signal, welches einer zweiten Verstärkerschaltung 30 zugeführt wird. Dort wird das zweite Signal verstärkt, und das verstärkte zweite Signal wird einem zweiten Analog-Digital-Wandler 34 zugeführt. Der zweite Analog-Digital-Wandler erzeugt, analog zu dem ersten Analog-Digital-Wandler 32, zweite Abtastwerte, welche zeitdiskret und quantisiert sind. Die zweiten Abtastwerte werden ebenfalls an den Datenspeicher 36 ausgegeben.The voltage between the first measuring electrode 12 and the second measuring electrode 14 forms a second signal, which a second amplifier circuit 30 is supplied. There, the second signal is amplified, and the amplified second signal is a second analog-to-digital converter 34 fed. The second analog-to-digital converter generates, analogous to the first analog-to-digital converter 32 , second samples, which are time-discrete and quantized. The second samples are also sent to the data store 36 output.

Der erste Analog-Digital-Wandler 32 und der zweite Analog-Digital-Wandler 34 erhalten ebenfalls die Information über die Erregerfrequenz EF von der Steuereinheit 56. Der erste Analog-Digital-Wandler 32 und der zweite Analog-Digital-Wandler 34 benutzen das 4-fache der Erregerfrequenz EF für das Abtasten des verstärkten ersten Signals und des verstärkten zweiten Signals. Somit erstellen der erste Analog-Digital-Wandler 32 und der zweite Analog-Digital-Wandler 34 erste und zweite Abtastwerte für den Erregerstrom und die Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14 mit dem 4-fachen der Erregerfrequenz EF.The first analog-to-digital converter 32 and the second analog-to-digital converter 34 also receive the information about the exciter frequency EF from the control unit 56 , The first analog-to-digital converter 32 and the second analog-to-digital converter 34 use 4 times the excitation frequency EF for sampling the amplified first signal and the amplified second signal. Thus, create the first analog-to-digital converter 32 and the second analog-to-digital converter 34 first and second samples of the excitation current and the voltage between the measuring electrodes 12 . 14 with 4 times the excitation frequency EF.

Die von dem ersten Analog-Digital-Wandler 32 und dem zweiten Analog-Digital-Wandler 34 ausgegebenen ersten und zweiten Abtastwerte werden in dem Datenspeicher 36 zwischengespeichert. Der Datenspeicher 36 stellt somit ein Depot dar, das die ersten Abtastwerte und die zweiten Abtastwerte aufnimmt und von der Echtzeit unabhängig für die weitere Datenverarbeitung zur Verfügung stellen kann. Somit gibt es ab dem Datenspeicher 36 keine Echtzeitanforderungen an die nachgelagerten Bauelemente mehr. Im Gegenteil, die nachgelagerten Bauelemente können auf eine über einen gewissen Zeitraum angesammelte Datenbasis in dem Datenspeicher 36 zugreifen. Der Datenspeicher 36 kann beispielsweise ein DPRAM oder jede andere geeignete Art von Datenspeicher sein.That of the first analog-to-digital converter 32 and the second analog-to-digital converter 34 output first and second samples are in the data memory 36 cached. The data store 36 thus represents a depot that receives the first samples and the second samples and provides independent of real time for further data processing. Thus, there are from the data store 36 no real-time requirements for the downstream components anymore. On the contrary, the downstream components can be stored in the data store over a period of time 36 access. The data store 36 For example, it may be a DPRAM or any other suitable type of data store.

Der Datenspeicher 36 ist mit der Datenverarbeitungseinrichtung 40 gekoppelt und gibt die ersten Abtastwerte für den Erregerstrom und die zweiten Abtastwerte für die Spannung zwischen der ersten Messelektrode 12 und der zweiten Messelektrode 14 an die Datenverarbeitungseinrichtung 40 aus. In der Datenverarbeitungseinrichtung 40 gibt es zwei Datenverarbeitungspfade, die im folgenden beschrieben werden.The data store 36 is with the data processing device 40 coupled and outputs the first samples for the excitation current and the second samples for the voltage between the first measuring electrode 12 and the second measuring electrode 14 to the data processing device 40 out. In the data processing device 40 There are two data processing paths, which are described below.

Zum Einen werden die ersten und zweiten Abtastwerte an ein Fourier-Transformations-Modul 42 übergeben. Das Fourier-Transformations-Modul 42 führt eine diskrete, komplexe Fourier-Transformation mit den ersten Abtastwerten für den Erregerstrom und den zweiten Abtastwerten für die Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14 durch. Die in dem Fourier-Transformations-Modul 42 durchgeführte Fourier-Transformation ist diskret und komplex, weil die zeitdiskreten Abtastwerte für Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden als voneinander abhängige Größen analysiert werden. Das Ergebnis dieser komplexen Fourier-Transformation sind die Amplituden von Erregerstrom und gemessener Spannung für verschiedene Frequenzen sowie die Phasenverschiebung α zwischen Erregerstrom und gemessener Spannung für die verschiedenen Frequenzen. Dabei ist es möglich, dass die Fourier-Transformation eine breite spektrale Analyse der Abtastwerte vornimmt und dann alle Spektralkomponenten mit Ausnahme der Spektralkomponenten bei der Erregerfrequenz EF verworfen werden. Es ist aber auch möglich, dass die Fourier-Transformation gezielt die Spektralkomponente des Erregerstroms sowie die Spektralkomponente der Spannung zwischen der ersten Messelektrode 12 und der zweiten Messelektrode 14 bei der Erregerfrequenz bestimmt. In diesen Zusammenhang kann auch der Goertzel-Algorithmus zum Einsatz kommen, mit dem gezielt die spektralen Komponenten bei der Erregerfrequenz EF bestimmt werden können.First, the first and second samples are applied to a Fourier transform module 42 to hand over. The Fourier transform module 42 performs a discrete, complex Fourier transform with the first samples for the excitation current and the second samples for the voltage between the measurement electrodes 12 . 14 by. The in the Fourier transform module 42 Fourier transformation performed is discrete and complex because the discrete-time samples of excitation current and voltage between the measuring electrodes are analyzed as interdependent quantities. The result of this complex Fourier transformation are the amplitudes of excitation current and measured voltage for different frequencies as well as the phase shift α between excitation current and measured voltage for the different frequencies. It is possible that the Fourier transform performs a wide spectral analysis of the samples and then all spectral components except the spectral components at the excitation frequency EF be discarded. But it is also possible that the Fourier transform targeted the spectral component of the excitation current and the spectral component of the voltage between the first measuring electrode 12 and the second measuring electrode 14 determined at the excitation frequency. In this context, also the Goertzel algorithm are used, with the targeted the spectral components at the excitation frequency EF can be determined.

Die Amplitude der Spektralkomponente des Erregerstroms bei der Erregerfrequenz EF und die Amplitude der Spektralkomponente der gemessenen Spannung bei der Erregerfrequenz EF werden über eine erste Datenübertragungsverbindung 44 an das Permittivität-Bestimmungs-Modul 48 übergeben. Die Phasenverschiebung α zwischen der Spektralkomponente des Erregerstroms bei der Erregerfrequenz und der Spektralkomponente der gemessenen Spannung bei der Erregerfrequenz wird über eine zweite Datenübertragungsverbindung 46 an das Permittivität-Bestimmungs-Modul 48 übergeben.The amplitude of the spectral component of the excitation current at the excitation frequency EF and the amplitude of the spectral component of the measured voltage at the excitation frequency EF are transmitted via a first data transmission connection 44 to the permittivity determination module 48 to hand over. The phase shift α between the spectral component of the excitation current at the excitation frequency and the spectral component of the measured voltage at the excitation frequency is via a second data transmission connection 46 to the permittivity determination module 48 to hand over.

Das Permittivität-Bestimmungs-Modul 48 bestimmt aus den übergebenen Parametern einen Leitwert G, einen Kapazitätswert C, die Leitfähigkeit σ der Zellpopulation bei der Erregerfrequenz und die Permittivität ε der Zellpopulation bei der Erregerfrequenz. Der Leitwert G und der Kapazitätswert C können über folgende zwei Gleichungen errechnet werden: G = cos(α) * (i/u); C = (tan(α) * G) / (2 * π * f), wobei i und u die Amplitude von Erregerstrom und gemessener Spannung der Spektralkomponente bei der Erregerfrequenz bezeichnen. Aus diesen Formeln ist ersichtlich, dass der Kapazitätswert auch ohne Umweg über den Leitwert aus α, i und u errechnet werden kann. Es ist aber auch möglich, dass der Leitwert G und der Kapazitätswert C aus komplexeren Modellen hergeleitet werden bzw. dass die über die oben genannten Gleichungen berechneten Werte kalibriert werden.The Permittivity Determination Module 48 determines a conductance from the transferred parameters G , a capacity value C , the conductivity σ of the cell population at the excitation frequency and the permittivity ε of the cell population at the excitation frequency. The conductance G and the capacitance value C can be calculated using the following two equations: G = cos (α) * (i / u); C = (tan (α) * G) / (2 * π * f), where i and u denote the amplitude of excitation current and measured voltage of the spectral component at the excitation frequency. From these formulas it can be seen that the capacitance value can also be calculated without detouring over the conductance value from α, i and u. But it is also possible that the conductance G and the capacity value C deriving from more complex models or calibrating the values calculated using the equations mentioned above.

Die Leitfähigkeit σ und die Permittivität ε werden im Anschluss aus dem Leitwert G und den Kapazitätswert C anhand eines Models berechnet, das die Geometrie des Zellpopulationssensors sowie gegebenenfalls weitere, die Messergebnisse beeinflussende Faktoren der Messanordnung abbildet. Auf diese Weise werden aus dem Leitwert G und dem Kapazitätswert C die Materialeigenschaften Leitfähigkeit σ und Permittivität ε der Zellpopulation hergeleitet. Für die Herleitung von Leitfähigkeit σ und Permittivität ε können an sich bekannte Ansätze und Verfahren verwendet werden. Durch die hochgenaue Gewinnung von Abtastwerten für den Erregerstrom und für die Spannung zwischen den Messelektroden, d.h. durch die hohe Qualität der Ausgangsdaten, wie hierin beschrieben, können auch bei Verwendung von bekannten Verfahren zur Herleitung von Leitfähigkeit σ und Permittivität ε verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu früheren Zellpopulationssensoren erzielt werden.The conductivity σ and the permittivity ε are subsequently derived from the conductance G and the capacity value C calculated using a model that maps the geometry of the cell population sensor and, where appropriate, other influencing the measurement results factors of the measuring arrangement. In this way, from the conductance G and the capacity value C the material properties conductivity σ and permittivity ε derived from the cell population. For the derivation of conductivity σ and permittivity ε For example, known approaches and methods can be used. By obtaining samples of exciter current and voltage between the measuring electrodes with high accuracy, ie by the high quality of the output data as described herein, even when using known methods for deriving conductivity σ and permittivity ε improved results can be achieved compared to previous cell population sensors.

Zum Anderen werden die ersten und die zweiten Abtastwerte an ein Effektivwert-Berechnungs-Modul 50 übergeben. Das Effektivwert-Berechnungs-Modul 50 bestimmt mittels quadratischer Mittelwertbildung („Root Mean Square“) die Effektivwerte des Erregerstroms und der Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14. Die Effektivwerte des Erregerstroms und der Spannung werden über die dritte Datenübertragungsverbindung 52 an das SNR-Berechnungs-Modul 54 übergeben. Die Abkürzung SNR steht dabei für Signal-Rausch-Verhältnis („Signal to Noise Ratio“). Das SNR-Berechnungs-Modul 54 erhält weiterhin die Amplitude der Spektralkomponente des Erregerstroms bei der Erregerfrequenz EF und die Amplitude der Spektralkomponente der gemessenen Spannung bei der Erregerfrequenz EF über die erste Datenübertragungsverbindung 44.On the other hand, the first and second samples are sent to an RMS calculation module 50 to hand over. The RMS Calculation Module 50 Determines the RMS values of the exciter current and the voltage between the measuring electrodes by means of root mean square 12 . 14 , The rms values of the excitation current and the voltage are transmitted via the third data transmission connection 52 to the SNR calculation module 54 to hand over. The abbreviation SNR stands for signal-to-noise ratio ("Signal to Noise Ratio"). The SNR calculation module 54 further receives the amplitude of the spectral component of the excitation current at the exciter frequency EF and the amplitude of the spectral component of the measured voltage at the excitation frequency EF over the first data connection 44 ,

Das SNR-Berechnungs-Modul 54 bestimmt aus den übergebenen Daten die spektrale Leistung des Erregerstroms und der Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14 bei der Erregerfrequenz sowie die Gesamtleistung des Erregerstroms und der Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14. Auf Basis dieser zwei Leistungsgrößen wird das Signal-Rausch-Verhältnis bestimmt. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann insbesondere als Verhältnis der genannten spektralen Leistung zu der Gesamtleistung, abzüglich der genannten spektralen Leistung, bestimmt werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann als Maß für die Genauigkeit der Bestimmung des Kapazitätswerts C bzw. der Permittivität ε angesehen werden. Insbesondere kann das Signal-Rausch-Verhältnis als Maß dafür angesehen werden, welcher Anteil der gemessenen Spannung der Reaktion der Zellpopulation auf den Erregerstrom, die ja beobachtet werden soll, zugerechnet werden kann. Es wird betont, dass die genannte spektrale Leistung bei der Erregerfrequenz und die Gesamtleistung auch auf andere geeignete Art und Weise in Beziehung gesetzt werden können, um eine Aussage über die Messgenauigkeit zu treffen. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist ein beispielhaftes Maß.The SNR calculation module 54 determines from the transferred data the spectral power of the excitation current and the voltage between the measuring electrodes 12 . 14 at the excitation frequency as well as the total power of the excitation current and the voltage between the measuring electrodes 12 . 14 , Based on these two performance parameters, the signal-to-noise ratio is determined. The signal-to-noise ratio can be determined, in particular, as the ratio of the stated spectral power to the total power minus the stated spectral power. The signal-to-noise ratio can be used as a measure of the accuracy of the determination of the capacitance value C or the permittivity ε are considered. In particular, the signal-to-noise ratio can be regarded as a measure of what proportion of the measured voltage of the response of the cell population can be attributed to the excitation current, which is indeed observed. It is emphasized that said spectral power at the exciter frequency and the total power may also be related in other appropriate ways to make a statement about the measurement accuracy. The signal-to-noise ratio is an exemplary measure.

Somit stehen der Leitwert G, der Kapazitätswert C, die Leitfähigkeit σ, die Permittivität ε sowie das Signal-Rausch-Verhältnis als Ergebnisse der Signalverarbeitung in der Datenverarbeitungseinrichtung 40 zur Verfügung. Insbesondere stehen diese Werte als Ergebnisse für die Erregung der Zellpopulation mit einer bestimmten Erregerfrequenz zur Verfügung. Einer oder mehrere dieser Werte können zur Weiterverarbeitung ausgegeben werden. Die Ausgabe kann an eine externe Einheit oder, wie in der beispielhaften Ausführungsform der 2 dargestellt, an die in dem Zellpopulationssensor vorhandene Steuereinheit 56 erfolgen. Thus, the guide value G , the capacity value C , the conductivity σ, the permittivity ε and the signal-to-noise ratio as results of the signal processing in the data processing device 40 to disposal. In particular, these values are available as results for the excitation of the cell population at a particular excitation frequency. One or more of these values can be output for further processing. The output may be to an external unit or, as in the exemplary embodiment of FIG 2 shown to the existing in the cell population sensor control unit 56 respectively.

In der beispielhaften Ausführungsform der 2 werden der für die Permittivität ε bestimmte Wert und das Signal-Rausch-Verhältnis an die Steuereinheit 56 ausgegeben.In the exemplary embodiment of the 2 are the value determined for the permittivity ε and the signal-to-noise ratio to the control unit 56 output.

Die Datenverarbeitungseinrichtung 40 kann in Software implementiert vorliegen oder als Anordnung von Hardware-Komponenten vorliegen. Es ist auch möglich, dass die Datenverarbeitungseinrichtung 40 teilweise in Software und teilweise in Hardware implementiert ist. Gleiches gilt für die unten beschriebene Steuereinheit 56. The data processing device 40 may be implemented in software or as an array of hardware components. It is also possible that the data processing device 40 partly implemented in software and partly in hardware. The same applies to the control unit described below 56 ,

Die Steuereinheit 56 ist mit der Power-Management-Einheit 38, mit der Oszillatorschaltung 16, mit der Signal-Erfassungs- und Aufbereitungs-Schaltung 25 und mit der Datenverarbeitungseinrichtung 40 verbunden. Die Steuereinheit 56 steuert das Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung. Dazu ist die Steuereinheit 56 eingerichtet, die Erregerfrequenz EF für das Verfahren festzulegen. Insbesondere ist die Steuereinheit eingerichtet, eine Mehrzahl von Erregerfrequenzen für eine Mehrzahl von Durchläufen des Verfahrens im Rahmen einer Impedanzspektroskopie festzulegen.The control unit 56 is with the power management unit 38 , with the oscillator circuit 16 , with the signal detection and conditioning circuit 25 and with the data processing device 40 connected. The control unit 56 controls the method for determining a value indicative of the permittivity of a cell population according to exemplary embodiments of the invention. This is the control unit 56 set up to set the excitation frequency EF for the procedure. In particular, the control unit is set up to set a plurality of exciter frequencies for a plurality of passes of the method in the context of an impedance spectroscopy.

Für einen gegebenen Durchlauf übermittelt die Steuereinheit 56 die festgelegte Erregerfrequenz EF an die Oszillatorschaltung 16, wo der Oszillator 18 eine Schwingung mit der Erregerfrequenz EF erzeugt, an die Signal-Erfassungs- und Aufbereitungs-Schaltung 25, wo der erste Analog-Digital-Wandler 32 und der zweite Analog-Digital-Wandler 34 die Abtastrate auf Basis der Erregerfrequenz EF einstellen, und an die Datenverarbeitungseinrichtung 40, wo das Fourier-Transformations-Modul 42 die Abtastwerte von Erregerstrom und Spannung zwischen den Messelektroden 12, 14 bezüglich der spektralen Signalkomponenten bei der Erregerfrequenz analysiert.For a given pass, the control unit transmits 56 the fixed exciter frequency EF to the oscillator circuit 16 where the oscillator 18 a vibration with the excitation frequency EF generated to the signal acquisition and conditioning circuit 25 where the first analog-to-digital converter 32 and the second analog-to-digital converter 34 set the sampling rate based on the excitation frequency EF, and to the data processing device 40 where the Fourier transform module 42 the samples of excitation current and voltage between the measuring electrodes 12 . 14 analyzed with respect to the spectral signal components at the excitation frequency.

Weiterhin ist die Steuereinheit 56 in der beispielhaften Ausführungsform von 2 mit der Datenverarbeitungseinrichtung 40 insofern gekoppelt, dass die Datenverarbeitungseinrichtung 40 die für die Erregerfrequenz EF bestimmte Permittivität ε sowie das bei der Bestimmung der Permittivität bestimmte Signal-Rausch-Verhältnis an die Steuereinheit 56 übermittelt. Die Steuereinheit 56 ist eingerichtet, auf Basis des bestimmten Signal-Rausch-Verhältnisses zu entscheiden, ob ein weiterer Durchlauf des Verfahrens unternommen wird, um die Permittivität für die gegebene Erregerfrequenz EF mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis zu bestimmen, oder ob das Ergebnis als qualitativ hochwertig akzeptiert wird. Im zweiten Fall kann die Steuereinheit 56 im Rahmen einer Impedanzspektroskopie eine neue Erregerfrequenz für den nächsten Durchlauf des Verfahrens festlegen. Es ist auch möglich, dass die Steuereinheit 56 für jede der gewünschten Erregerfrequenzen nur einen Durchlauf des Verfahrens veranlasst, unabhängig davon, wie gut das Signal-Rausch-Verhältnis ist, und das Signal-Rausch-Verhältnis lediglich als zusätzliche Information ausgibt.Furthermore, the control unit 56 in the exemplary embodiment of 2 with the data processing device 40 coupled in that the data processing device 40 the permittivity ε determined for the exciter frequency EF and the signal-to-noise ratio determined in the determination of the permittivity to the control unit 56 transmitted. The control unit 56 is arranged to decide on the basis of the determined signal-to-noise ratio whether a further run of the method is undertaken in order to determine the permittivity for the given excitation frequency EF with a better signal-to-noise ratio, or if the result is considered to be of high quality is accepted. In the second case, the control unit 56 define an excitation frequency for the next run of the method in the context of impedance spectroscopy. It is also possible that the control unit 56 for each of the desired excitation frequencies only one pass of the method is made, no matter how good the signal-to-noise ratio, and outputs the signal-to-noise ratio merely as additional information.

Nachdem eine Mehrzahl von Permittivitätswerten für verschiedene Erregerfrequenzen bestimmt worden ist, kann die Steuereinheit 56 eine oder mehrere charakteristische Eigenschaften der Zellpopulation aus der Mehrzahl von Permittivitätswerten herleiten. Dazu kann die Steuereinheit eine Kurve durch die Mehrzahl von Permittivitätswerten legen und aus der Kurve die charakteristischen Eigenschaften der Zellpopulation herleiten, wie unten mit Bezug auf 4 beschrieben. Ein solches In-Beziehung-Setzen der Mehrzahl von Permittivitätswerten kann auch außerhalb des Zellpopulationssensors 2 erfolgen.After a plurality of permittivity values have been determined for different exciter frequencies, the control unit may 56 derive one or more characteristic properties of the cell population from the plurality of permittivity values. For this, the control unit may make a curve through the plurality of permittivity values and derive from the curve the characteristic properties of the cell population, as described below with reference to FIG 4 described. Such relationship of the plurality of permittivity values may also be outside the cell population sensor 2 respectively.

Die Steuereinheit 56 ist mit der Power-Management-Schaltung 38 gekoppelt, um den Beginn und das Ende eines Durchlaufs des Verfahrens zu signalisieren. Die Power-Management-Schaltung 38 versorgt auf der Grundlage dieser Signale den Oszillationsverstärker 20 sowie die erste Verstärkerschaltung 28 und die zweite Verstärkerschaltung 30 mit der positiven Versorgungsspannung V+ und der negative Versorgungsspannung V-, welche in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform +4,5 V und -4 V sind. Nach dem Ende eines Durchlaufs des Verfahrens trennt die Power-Management-Schaltung 38 die positive und die negative Versorgungsspannung und übermittelt an den Oszillator 18, den ersten Analog-Digital-Wandler 32, den zweiten Analog-Digital-Wandler 34 und den Datenspeicher 36 ein Abschaltsignal („Power Down“). Auf diese Weise spart der Zellpopulationssensor zwischen den Durchläufen des Verfahrens zum Bestimmen der Permittivität elektrische Energie.The control unit 56 is with the power management circuit 38 coupled to signal the beginning and the end of a run of the process. The power management circuit 38 supplies the oscillation amplifier on the basis of these signals 20 and the first amplifier circuit 28 and the second amplifier circuit 30 with the positive supply voltage V + and the negative supply voltage V-, which are +4.5 V and -4 V in the present exemplary embodiment. After the end of a run of the process disconnects the power management circuit 38 the positive and the negative supply voltage and transmitted to the oscillator 18 , the first analog-to-digital converter 32 , the second analog-to-digital converter 34 and the data store 36 a shutdown signal ("power down"). In this way, the cell population sensor saves electrical energy between runs of the method for determining permittivity.

Die Power-Management-Schaltung 38 kann die elektrische Energie von außerhalb des Zellpopulationssensors 2 beziehen oder über ein internes Energie-Reservoir, z.B. in Form einer Batterie, verfügen.The power management circuit 38 can electrical energy from outside the cell population sensor 2 or have an internal energy reservoir, eg in the form of a battery.

Zum Schutz des Zellpopulationssensors 2 kann die Power-Management-Schaltung 38 die Spannungsversorgung öffnen, wenn der Temperatursensor 58 eine Temperatur oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts misst.To protect the cell population sensor 2 can the power management circuit 38 open the power supply when the temperature sensor 58 measures a temperature above a predetermined threshold.

3 zeigt ein Verfahren 100 zum Herleiten von mindestens einer charakteristischen Eigenschaft einer Zellpopulation gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 100 kann beispielsweise von dem in 1 und 2 gezeigten Zellpopulationssensor 2 durchgeführt werden. Dazu ist der Zellpopulationssensor 2 zumindest mit seinen Elektroden 8, 10, 12, 14 in die zu analysierende Zellpopulation eingetaucht. 3 shows a method 100 for deriving at least one characteristic of a cell population according to an exemplary embodiment of the invention. The procedure 100 for example, from the in 1 and 2 shown cell population sensor 2 be performed. This is the cell population sensor 2 at least with his electrodes 8th . 10 . 12 . 14 immersed in the cell population to be analyzed.

Das Verfahren 100 beginnt mit dem „Start“-Schritt 102. In Schritt 102 wird ein Frequenz-Index n auf 1 gesetzt. Der Frequenz-Index zeigt die Instanz der Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen eines die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts an. In anderen Worte, der Frequenz-Index besagt, die wievielte Erregerfrequenz im vorliegenden Durchlauf zum Einsatz kommt. Vor dem Start des Verfahrens steht fest, wie viele unterschiedliche Erregerfrequenzen verwendet werden. Beispielsweise können zwischen 20 und 30 unterschiedliche Erregerfrequenzen verwendet werden. Es kann weiterhin eine Tabelle vorliegen, die für jeden Wert des Frequenz-Index eine Erregerfrequenz beinhaltet. Es ist auch möglich, dass die Erregerfrequenz gemäß einer vorbestimmten Vorschrift für jeden Wert des Frequenz-Index ermittelt wird. Es ist beispielsweise möglich, dass die Erregerfrequenzen auf regelmäßige Weise aus einer logarithmischen Skala ausgewählt werden. Zum Beispiel können die folgenden Frequenzen als Erregerfrequenzen verwendet werden: 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 300 kHz, 400 kHz, 500 kHz, 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, 4 MHz, 5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz, 10 MHz, 20 MHz. Es ist aber auch jede andere geeignete Menge von Erregerfrequenzen zur Durchführung des Verfahrens möglich. The procedure 100 starts with the "Start" step 102 , In step 102 a frequency index n is set to 1. The frequency index indicates the instance of performing the method for determining a value indicating the permittivity of the cell population. In other words, the frequency index states how many excitation frequencies are used in the given run. Before starting the procedure, it is clear how many different excitation frequencies are used. For example, between 20 and 30 different excitation frequencies can be used. There may also be a table that includes an exciter frequency for each value of the frequency index. It is also possible that the excitation frequency is determined according to a predetermined rule for each value of the frequency index. For example, it is possible for the excitation frequencies to be selected in a regular manner from a logarithmic scale. For example, the following frequencies can be used as excitation frequencies: 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 300 kHz, 400 kHz, 500 kHz, 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, 4 MHz, 5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz, 10 MHz, 20 MHz. However, any other suitable amount of excitation frequencies is also possible for carrying out the method.

In Schritt 104 werden die positive Versorgungsspannung V+ und die negative Versorgungsspannung V-, auch als analoge Speisung bezeichnet, eingeschaltet. In Schritt 106 werden werden der Oszillator 18, der erste Analog-Digital-Wandler 32, der zweite Analog-Digital-Wandler 34 und der Datenspeicher 36 aktiviert. In Schritt 108 wird die Erregerfrequenz, auch als Stimulus-Frequenz bezeichnet, eingestellt. Dazu wird für den momentan vorliegenden Wert des Frequenz-Index die zugehörige Frequenz ermittelt und als Erregerfrequenz festgelegt. Die Oszillatorschaltung 16 beginnt, den Erregerstrom mit der Erregerfrequenz an die Zellpopulation anzulegen. In Schritt 110 wird in dem ersten Analog-Digital-Wandler 32 und dem zweiten Analog-Digital-Wandler 34 die Abtastrate, auch als Samplingrate bezeichnet, auf das 4-fache der Erregerfrequenz eingestellt. In Schritt 112 werden in dem ersten Analog-Digital-Wandler 32 erste Abtastwerte, auch als erste Samples bezeichnet, erzeugt. Weiterhin werden in dem zweiten Analog-Digital-Wandler 34 zweite Abtastwerte, auch als zweite Samples bezeichnet, erzeugt. Die ersten Abtastwerte und die zweiten Abtastwerte werden im Schritt 112 in den Datenspeicher 36 geschrieben. In Schritt 114 werden der Oszillator 18, der erste Analog-Digital-Wandler 32, der zweite Analog-Digital-Wandler 34 und der Datenspeicher 36 deaktiviert. In Schritt 118 wird die analoge Speisung ausgeschalten, d.h. die positive Versorgungsspannung V+ und die negative Versorgungsspannung V- werden abgekoppelt.In step 104 become the positive supply voltage V + and the negative supply voltage V-, also called analog supply, switched on. In step 106 become the oscillator 18 , the first analog-to-digital converter 32 , the second analog-to-digital converter 34 and the data store 36 activated. In step 108 the exciter frequency, also called the stimulus frequency, is set. For this purpose, the associated frequency is determined for the current value of the frequency index and set as the excitation frequency. The oscillator circuit 16 begins to apply the excitation current with the excitation frequency to the cell population. In step 110 is in the first analog-to-digital converter 32 and the second analog-to-digital converter 34 the sampling rate, also referred to as the sampling rate, set to 4 times the exciter frequency. In step 112 be in the first analog-to-digital converter 32 generates first samples, also referred to as first samples. Furthermore, in the second analog-to-digital converter 34 second samples, also referred to as second samples, generated. The first samples and the second samples are in step 112 in the data store 36 written. In step 114 become the oscillator 18 , the first analog-to-digital converter 32 , the second analog-to-digital converter 34 and the data store 36 disabled. In step 118 the analog supply is switched off, ie the positive supply voltage V + and the negative supply voltage V- are decoupled.

In Schritt 118 werden einerseits die Amplitude des Erregerstroms, d.h. die Amplitude des mit der Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms, die Amplitude derjenigen spektralen Komponente der gemessenen Spannung, die die Erregerfrequenz hat, und die Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten spektralen Komponente der gemessenen Spannung bestimmt. Andererseits werden die Effektivwerte des Erregerstroms und der Gesamtspannung zwischen den Messelektroden 12, 14 bestimmt. In Schritt 120 wird das Signal-Rausch-Verhältnis SNR an Hand der spektralen Leistung bei der Erregerfrequenz und der Gesamtleistung ermittelt und mit einem Signal-Rausch-Verhältnis-Schwellwert SNR' verglichen. Wann das ermittelte Signal-Rausch-Verhältnis SNR den Schwellwert SNR' unterschreitet, wird in Schritt 122 eine Störung detektiert.In step 118 On the one hand, the amplitude of the exciting current, ie the amplitude of the exciting current oscillating with the exciting frequency, the amplitude of that spectral component of the measured voltage having the exciting frequency, and the phase shift between the exciting current and said spectral component of the measured voltage determined. On the other hand, the rms values of the exciting current and the total voltage between the measuring electrodes become 12 . 14 certainly. In step 120 the signal-to-noise ratio SNR is determined on the basis of the spectral power at the excitation frequency and the total power and compared with a signal-to-noise ratio threshold value SNR '. When the determined signal-to-noise ratio SNR below the threshold value SNR ', in step 122 detected a fault.

In Schritt 124 werden der Leitwert G und der Kapazitätswert C berechnet, wie oben beschrieben. In Schritt 126 werden der Leitwert G und/oder der Kapazitätswert C kalibriert. Man kann auch davon sprechen, dass der Leitwert G und/oder der Kapazitätswert C an Hand einer Kalibrierungsvorschrift korrigiert werden. Die Kalibrierungsdaten können in einer Tabelle und/oder in funktionaler Form vorliegen. Auf Basis der kalibrierten Werte für Leitwert G und Kapazitätswert C werden in Schritt 128 die Leitfähigkeit σ und die Permittivität ε berechnet.In step 124 become the guiding value G and the capacity value C calculated as described above. In step 126 become the guiding value G and / or the capacity value C calibrated. It can also be said that the conductance G and / or the capacity value C be corrected using a calibration rule. The calibration data may be in a table and / or in a functional form. Based on the calibrated values for conductance G and capacity value C be in step 128 the conductivity σ and the permittivity ε are calculated.

In Schritt 130 wird zuerst entschieden, ob auf Grund einer gegebenenfalls in Schritt 122 detektierten Störung der Durchlauf für die vorliegende Erregerfrequenz wiederholt werden soll. In diesem Fall wird der Frequenz-Index nicht erhöht, und das Verfahren 100 fährt mit Schritt 132 fort. Wenn keine Störung detektiert worden ist, wird in Schritt 130 überprüft, ob alle gewünschten Erregerfrequenzen verwendet worden sind, d.h. ob der Frequenz-Index seinen finalen Wert erreicht hat. Wenn nicht, wird der Frequenz-Index um 1 erhöht, und das Verfahren 100 fährt mit Schritt 132 fort. Wenn der Frequenz-Index seinen finalen Wert erreicht hat, fährt das Verfahren 100 mit Schritt 134 fort.In step 130 It is decided first whether due to an eventual step 122 detected disturbance of the pass should be repeated for the present excitation frequency. In this case, the frequency index is not increased, and the procedure 100 moves to step 132 continued. If no fault has been detected, in step 130 checks if all desired excitation frequencies have been used, ie if the frequency index has reached its final value. If not, the frequency index is incremented by 1, and the procedure 100 moves to step 132 continued. When the frequency index has reached its final value, the procedure continues 100 with step 134 continued.

Schritt 132 bedeutet lediglich eine Verzögerung, bevor das Verfahren 100 bei Schritt 104 wieder aufgenommen wird. Durch die Verzögerung können die in dem vorherigen Durchlauf eingebrachten elektrischen Effekte in der Zellpopulation abklingen. Der nächste Durchlauf kann von einem wohldefinierten Zustand der Zellpopulation aus beginnen.step 132 just means a delay before the procedure 100 at step 104 is resumed. The delay can reduce the electrical effects introduced in the previous run in the cell population. The next run can begin from a well-defined state of the cell population.

In Schritt 134 werden aus der Mehrzahl von Werten für die Permittivität der Zellpopulation, die für die unterschiedlichen Erregerfrequenzen bestimmt worden sind, ein oder mehrere Charakteristika der Zellpopulation hergeleitet. Insbesondere werden ein oder mehrere von Anzahl der lebenden Zellen, Größe der Zellen und Homogenität der Zellen hergeleitet, wie unten mit Bezug zu 4 im Detail beschrieben wird. Die hergeleiteten Charakteristika können an einen Benutzer des Zellpopulationssensors ausgegeben werden, beispielsweise über einen Bildschirm. Zusätzlich zu den Charakteristika kann auch ein Qualitätsmaß ausgegeben werden, welches aus den oben diskutierten SNR-Werten für die einzelnen Durchläufe zur Bestimmung der Permittivitätswerte hergeleitet sein kann. In Schritt 136 endet das Verfahren 100.In step 134 From the plurality of values for the permittivity of the cell population, which have been determined for the different exciter frequencies, one or more characteristics of the cell population are derived. In particular, one or more of the number of living cells, size of the cells and homogeneity of the cells derived as related below 4 will be described in detail. The derived characteristics may be output to a user of the cell population sensor, for example via a screen. In addition to the characteristics, a quality measure may also be output, which may be derived from the above-discussed SNR values for the individual runs for determining the permittivity values. In step 136 the procedure ends 100 ,

4 zeigt rein qualitativ den Verlauf 200 der Permittivität ε einer Zellpopulation, aufgetragen gegenüber der Erregerfrequenz f. Der Verlauf 200 ist eine rein beispielhafte Kurve, die aus einer Mehrzahl von Werten für die Permittivität, welche durch das oben beschriebene Verfahren bestimmt worden sind, hergeleitet worden ist. Zum Beispiel kann kann der Verlauf 200 mittels eines Cole-Cole-Fittings aus der Mehrzahl von Permittivitätswerten hergeleitet worden sein. 4 shows purely qualitatively the course 200 the permittivity ε of a cell population plotted against the excitation frequency f. The history 200 is a purely exemplary curve derived from a plurality of values for the permittivity determined by the method described above. For example, the history may be 200 be derived from the plurality of Permittivitätswerten by means of a Cole-Cole fitting.

Aus dem Verlauf 200 können folgendermaßen Charakteristika der Zellpopulation hergeleitet werden. In 4 ist qualitativ dargestellt, dass vor einer für das β-Dispersionsgebiet 202 charakteristischen Frequenz fch ein Plateaugebiet 204 gelegen ist, in dem sich die Permittivität ε, verglichen mit dem Bereich um die charakteristische Frequenz fch , mit der Frequenz nur wenig ändert, und dass nach der charakteristischen Frequenz fch ein weiteres Plateaugebiet 206 gelegen ist, welches von dem Plateaugebiet 22 vor der charakteristischen Frequenz fch verschieden ist und in welchem sich die Permittivität ε, wiederum verglichen mit dem Bereich um die charakteristische Frequenz fch , ebenfalls nicht stark mit der Frequenz ändert.From the course 200 In this way characteristics of the cell population can be derived as follows. In 4 is qualitatively shown to be one for the β dispersion area 202 characteristic frequency f ch a plateau area 204 is located in which the permittivity ε, compared with the area around the characteristic frequency f ch , with the frequency changes only slightly, and that according to the characteristic frequency f ch another plateau area 206 which is situated on the plateau area 22 before the characteristic frequency f ch is different and in which the permittivity ε, again compared to the area around the characteristic frequency f ch , also does not change much with the frequency.

Vergleicht man einen die Permittivität ε repräsentierenden Permittivitätswert ε1 bei einer Erregerfrequenz f1 im Plateaugebiet 204 mit einem Permittivitätswert ε2 bei einer Erregerfrequenz f2 im Plateaugebiet 206, so lässt sich aus den bei den Erregerfrequenzen f1 und f2 bestimmten Permittivitätswerten ε1 bzw. ε2 ein Unterschiedswert Δε der beiden Permittivitätswerte ermitteln. Der Unterschiedswert Δε ist dabei ein Maß für die Anzahl an in der Zellpopulation enthaltenen lebenden Zellen. Die mit zwei Punkten und drei Strichen angedeutete alternative Permittivitätskurve 210 würde zu einem betragsmäßig größeren Δε bei den jeweiligen Erregerfrequenzen f1 und f2 führen, was den Rückschluss zulässt, dass die Zellpopulation, für welche die Permittivitätskurve 210 erhalten wurde, mehr lebende Zellen in gleichem Volumen aufweist als die der Permittivitätskurve 200 zu Grunde liegende Zellpopulation.If one compares a permittivity value representing the permittivity ε ε 1 at an excitation frequency f 1 in the plateau area 204 with a permittivity value ε 2 at an excitation frequency f 2 in the plateau area 206 , so can be seen from the at the exciter frequencies f 1 and f 2 certain permittivity values ε 1 or. ε 2 determine a difference Δε of the two permittivity values. The difference Δε is a measure of the number of living cells contained in the cell population. The alternate permittivity curve indicated by two dots and three dashes 210 would result in a magnitude larger Δε at the respective exciter frequencies f 1 and f 2 which allows conclusions to be drawn that the cell population for which the permittivity curve 210 was obtained, has more living cells in the same volume than that of the Permittivitätskurve 200 underlying cell population.

Eine Veränderung der charakteristischen Frequenz fch zeigt eine Änderung der Größe der Zellen oder ihrer Physiologie an. Eine Permittivitätskurve 220 mit zwei Punkten und einem Strich zeigt eine höhere charakteristische Frequenz fch in 4. Die charakteristische Frequenz fch kann aus dem Wendepunkt des Verlaufs 200 zwischen dem Plateaugebiet 204 und dem Plateaugebiet 206 bestimmt werden.A change in the characteristic frequency f ch indicates a change in the size of the cells or their physiology. A permittivity curve 220 with two dots and a dash shows a higher characteristic frequency f ch in 4 , The characteristic frequency f ch may be from the turning point of the course 200 between the plateau area 204 and the plateau area 206 be determined.

Die Steigung der Permittivitätskurve im Punkt ihrer charakteristischen Frequenz fch ist ein Maß für die Zellgrößenverteilung, wobei zunehmende Steigung eine stärker heterogene Zellgrößenverteilung anzeigt und wobei flacher werdende Verläufe der Permittivitätskurve 200 am Ort der charakteristischen Frequenz fch stärker homogene Zellgrößenverteilungen bedeuten.The slope of the permittivity curve at the point of its characteristic frequency f ch is a measure of cell size distribution, with increasing slope indicating a more heterogeneous cell size distribution, and flatter progressions of the permittivity curve 200 at the location of the characteristic frequency f ch mean more homogeneous cell size distributions.

Die in 4 gezeigten Permittivitätsverläufe können insbesondere die Verläufe der Realteile der bestimmten Permittivitätswerte sein.In the 4 In particular, the courses of the real parts of the determined permittivity values can be shown.

In der beispielhaften Ausführungsform der 4 ist f1 = 50 kHz und f2 = 20 MHz. Zellpopulationssensoren gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen ein hochgenaues Bestimmen von Permittivitätswerten über einen solchen breiten Frequenzbereich, wodurch für viele Zellpopulationen das β-Dispersionsgebiet sehr weitreichend beschrieben werden kann. Insbesondere eignen sich der Zellpopulationssensor und das Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung für Zellpopulationen mit einer Leitfähigkeit von wenigen 0.1 mS/cm bis 100mS/cm und mit einer Permittivität von wenigen pF/cm bis einigen Hundert pF/cm.In the exemplary embodiment of the 4 f 1 = 50 kHz and f 2 = 20 MHz. Cell population sensors in accordance with exemplary embodiments of the invention allow for highly accurate determination of permittivity values over such a broad frequency range, thereby allowing the β-dispersion region to be described very extensively for many cell populations. In particular, the cell population sensor and the method for determining a permittivity of a cell population indicative value according to exemplary embodiments of the invention are suitable for cell populations with a conductivity of a few 0.1 mS / cm to 100mS / cm and a permittivity of a few pF / cm to several hundred pF /cm.

Ein beispielhafter Anwendungsfall für den Zellpopulationssensor und das Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung sind Gärprozesse, zum Beispiel beim Brauen von Getränken. Die Erfindung ist aber generell breit zum Bestimmen von die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werten anwendbar.An exemplary use case for the cell population sensor and the method for determining a value indicative of the permittivity of a cell population according to exemplary embodiments of the invention are fermentation processes, for example, in brewing beverages. However, the invention is generally broadly applicable for determining values indicative of the permittivity of a cell population.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung soll nicht durch die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein. Vielmehr enthält sie alle Ausführungsformen, die unter die angehängten Patentansprüche fallen.Although the invention has been described with reference to exemplary embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes may be made and equivalents may be employed without departing from the scope of the invention. The invention should not be limited by the specific embodiments described. Rather, it includes all embodiments that fall under the appended claims.

Claims (40)

Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts im Rahmen einer Impedanzspektroskopie, aufweisend die folgenden Schritte: Erzeugen eines mit einer Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms durch die Zellpopulation, Messen einer Spannung in der Zellpopulation zwischen einer ersten Messelektrode (12) und einer zweiten Messelektrode (14), Abtasten des Erregerstroms, wobei erste Abtastwerte für den Erregerstrom erzeugt werden, Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode (12) und der zweiten Messelektrode (14), wobei zweite Abtastwerte für die Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode erzeugt werden, und Bestimmen des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf Basis der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte.Method for determining a value indicative of the permittivity of a cell population in the context of impedance spectroscopy, comprising the following steps: Generating an excitation current oscillating with an exciter frequency through the cell population, Measuring a voltage in the cell population between a first measuring electrode (12) and a second measuring electrode (14), Sampling the excitation current, wherein first samples of the excitation current are generated, Sensing the voltage between the first measuring electrode (12) and the second measuring electrode (14), thereby generating second samples of the voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode, and Determining the value indicative of the permittivity of the cell population based on the first samples and the second samples. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abtasten des Erregerstroms und das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode (12) und der zweiten Messelektrode (14) jeweils ein Umwandeln eines analogen Signals in ein digitales Signal beinhaltet.Method according to Claim 1 wherein sampling the exciting current and sensing the voltage between the first sensing electrode (12) and the second sensing electrode (14) each include converting an analog signal to a digital signal. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin aufweisend die Schritte: Einstellen einer ersten Abtastrate für das Abtasten des Erregerstroms, und Einstellen einer zweiten Abtastrate für das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode (12) und der zweiten Messelektrode (14).Method according to Claim 1 or 2 , further comprising the steps of: setting a first sampling rate for sampling the exciting current, and setting a second sampling rate for sampling the voltage between the first measuring electrode (12) and the second measuring electrode (14). Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Abtastrate und die zweite Abtastrate mindestens auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms, insbesondere im Wesentlichen auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms, eingestellt werden.Method according to Claim 3 , Wherein the first sampling rate and the second sampling rate are set to at least 4 times the excitation frequency of the excitation current, in particular substantially to 4 times the excitation frequency of the excitation current. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erregerfrequenz des Erregerstroms zwischen 50 kHz und 20 MHz ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the exciter frequency of the excitation current is between 50 kHz and 20 MHz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abtasten des Erregerstroms und das Abtasten der Spannung zwischen der ersten Messelektrode (12) und der zweiten Messelektrode (14) synchronisiert erfolgen.Method according to one of the preceding claims, wherein the scanning of the excitation current and the sampling of the voltage between the first measuring electrode (12) and the second measuring electrode (14) are synchronized. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Schreiben der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte in einen Datenspeicher (36), wobei der Datenspeicher insbesondere imstande ist, Daten mit einer Datenaufnahmerate von mindestens 1 Gbit/s aufzunehmen.Method according to one of the preceding claims, further comprising the step: Writing the first samples and the second samples into a data memory (36), the data memory being capable in particular of receiving data at a data acquisition rate of at least 1 Gbit / s. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts ein Anwenden einer komplexen Fourier-Transformation auf die ersten Abtastwerte und die zweiten Abtastwerte beinhaltet.The method of any one of the preceding claims, wherein the step of determining the value indicative of the permittivity of the cell population includes applying a complex Fourier transform to the first samples and the second samples. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: Bestimmen der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, Bestimmen derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, und Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung.The method of any one of the preceding claims, wherein the step of determining the value indicative of the permittivity of the cell population comprises at least one of the following steps: Determining the amplitude of the oscillating excitation current, Determining the spectral component of the voltage having the excitation frequency, and Determining the phase shift between excitation current and said spectral component of the voltage. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts weiterhin den folgenden Schritt aufweist: Bestimmen des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf der Basis von einem oder mehreren von der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, der Amplitude derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, und der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung.The method of any one of the preceding claims, wherein the step of determining the value indicative of the permittivity of the cell population further comprises the step of: Determining the value indicative of the permittivity of the cell population based on one or more of the amplitude of the oscillating excitation current, the amplitude of that spectral component of the voltage having the excitation frequency, and the phase shift between the excitation current and the said spectral component of the voltage. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der die Permittivität der Zellpopulation anzeigende Wert ein Kapazitätswert oder ein Permittivitätswert ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the value indicative of the permittivity of the cell population is a capacitance value or a permittivity value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Abtastens des Erregerstroms ein Verstärken eines den Erregerstrom abbildenden ersten Signals beinhaltet, bevor die ersten Abtastwerte auf Basis des verstärkten ersten Signals erzeugt werden, und/oder wobei der Schritt des Abtastens der Spannung zwischen der ersten Messelektrode (12) und der zweiten Messelektrode (14) ein Verstärken eines die Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode abbildenden zweiten Signals beinhaltet, bevor die zweiten Abtastwerte auf Basis des verstärkten zweiten Signals erzeugt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the step of sampling the excitation current includes amplifying a first signal representative of the exciter current before the first samples are generated based on the amplified first signal, and / or wherein the step of sensing the voltage between the first sensing electrode (12) and the second sensing electrode (14) includes amplifying a second signal representative of the voltage between the first sensing electrode and the second sensing electrode before the second sensing values are generated based on the amplified second signal become. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Erzeugen eines den Erregerstrom abbildenden ersten Signals über ein Messelement (26), insbesondere über einen Messwiderstand.Method according to one of the preceding claims, further comprising the step: Generating a first signal representing the exciting current via a measuring element (26), in particular via a measuring resistor. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugen des mit der Erregerfrequenz oszillierenden Erregerstroms durch die Zellpopulation eine galvanische Entkopplung zwischen einer den Erregerstrom ausgebenden Wechselstromquelle und der Zellpopulation beinhaltet.Method according to one of the preceding claims, wherein generating the with the Excitation frequency oscillating excitation current through the cell population includes a galvanic decoupling between an excitation current emitting AC source and the cell population. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend die folgenden Schritte: Bestimmen einer spektralen Leistung des Erregerstroms und derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, Bestimmen der Gesamtleistung von Erregerstrom und Spannung zwischen der ersten Messelektrode (12) und der zweiten Messelektrode (14), und Bestimmen eines Maßes für die Messgenauigkeit des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf Basis der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung, wobei das Maß insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis auf Basis der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung ist.Method according to one of the preceding claims, further comprising the following steps: Determining a spectral power of the excitation current and the spectral component of the voltage having the excitation frequency, Determining the total power of exciting current and voltage between the first measuring electrode (12) and the second measuring electrode (14), and Determining a measure of the measurement accuracy of the value indicative of the permittivity of the cell population on the basis of said spectral power and the total power, wherein the measure is in particular the signal-to-noise ratio based on said spectral power and the total power. Verfahren zum Herleiten von mindestens einer charakteristischen Eigenschaft einer Zellpopulation, aufweisend die folgenden Schritte: mehrmaliges Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche unter Verwendung von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Erregerfrequenzen und Bestimmen einer Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten für die Mehrzahl von unterschiedlichen Erregerfrequenzen, und Herleiten der mindestens einen charakteristischen Eigenschaft der Zellpopulation durch In-Beziehung-Setzen der Mehrzahl von die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werten.Method for deriving at least one characteristic property of a cell population, comprising the following steps: repeatedly performing the method of determining a cell population permittivity value according to one of the preceding claims using a plurality of different excitation frequencies and determining a plurality of cell population permittivity indicative of the plurality of different excitation frequencies, and Deriving the at least one characteristic property of the cell population by relating the plurality of values indicative of the permittivity of the cell population. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das genannte Verfahren zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts für zwischen 2 und 50 unterschiedliche Erregerfrequenzen, insbesondere für zwischen 10 und 40 unterschiedliche Erregerfrequenzen, weiter insbesondere für zwischen 20 und 30 unterschiedliche Erregerfrequenzen, durchgeführt wird.Method according to Claim 16 wherein said method for determining a value indicative of the permittivity of a cell population for between 2 and 50 different excitation frequencies, in particular for between 10 and 40 different exciter frequencies, more particularly for between 20 and 30 different exciter frequencies. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die unterschiedlichen Erregerfrequenzen aus einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz, insbesondere aus einem Frequenzbereich von 50 kHz bis 20 MHz, stammen.Method according to Claim 16 or 17 , wherein the different excitation frequencies from a frequency range of 100 kHz to 10 MHz, in particular from a frequency range of 50 kHz to 20 MHz, come. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei jede Instanz des mehrmaligen Durchführens des Verfahrens zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts jeweils zwischen 10 ms und 100 ms, insbesondere zwischen 30 ms und 70 ms, dauert.Method according to one of Claims 16 to 18 wherein each instance of repeatedly performing the method for determining a value indicative of the permittivity of a cell population lasts between 10 ms and 100 ms, in particular between 30 ms and 70 ms. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Herleiten der mindestens einen charakteristischen Eigenschaft der Zellpopulation ein Erstellen eines Verlaufs der die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werte über die unterschiedlichen Erregerfrequenzen beinhaltet.Method according to one of Claims 16 to 19 wherein deriving the at least one characteristic characteristic of the cell population includes establishing a history of the permittivity of the cell population indicative of values across the different excitation frequencies. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die mindestens eine charakteristische Eigenschaft der Zellpopulation mindestens eine Eigenschaft von Anzahl der lebenden Zellen, Größe der Zellen und Homogenität der Zellen umfasst.Method according to one of Claims 16 to 20 in which the at least one characteristic characteristic of the cell population comprises at least one property of number of living cells, size of the cells and homogeneity of the cells. Zellpopulationssensor (2) zum Bestimmen eines die Permittivität einer Zellpopulation anzeigenden Werts, aufweisend: eine Oszillatorschaltung (16), eine erste Erregerelektrode (8) und eine zweite Erregerelektrode (10), die mit der Oszillatorschaltung (16) gekoppelt sind, wobei mittels der Oszillatorschaltung (16) über die erste und die zweite Erregerelektrode (8, 10) ein mit einer Erregerfrequenz oszillierender Erregerstrom durch die Zellpopulation erzeugbar ist, eine erste Messelektrode (12) und eine zweite Messelektrode (14) zum Messen einer Spannung in der Zellpopulation zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode (12, 14), eine erste Abtastschaltung (32), die mit der ersten Erregerelektrode (8) und/oder der zweiten Erregerelektrode (10) gekoppelt ist und im Betrieb erste Abtastwerte für den oszillierenden Erregerstrom bereitstellt, eine zweite Abtastschaltung (34), die mit der ersten und der zweiten Messelektrode (12, 14) gekoppelt ist und im Betrieb zweite Abtastwerte für die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode bereitstellt, und eine Datenverarbeitungseinrichtung (40), die mit der ersten Abtastschaltung und der zweiten Abtastschaltung gekoppelt ist und die konfiguriert ist, auf Basis der ersten Abtastwerte und der zweiten Abtastwerte den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert zu bestimmen.A cell population sensor (2) for determining a value indicative of the permittivity of a cell population, comprising: an oscillator circuit (16), a first exciter electrode (8) and a second exciter electrode (10), which are coupled to the oscillator circuit (16), wherein by means of the oscillator circuit (16) via the first and the second excitation electrode (8, 10) an exciting current oscillating with an exciter frequency the cell population can be generated, a first measuring electrode (12) and a second measuring electrode (14) for measuring a voltage in the cell population between the first and second measuring electrodes (12, 14), a first sampling circuit (32) coupled to the first excitation electrode (8) and / or the second excitation electrode (10) and providing in operation first samples of the oscillating excitation current, a second sense circuit (34) coupled to the first and second sense electrodes (12, 14) and in operation providing second samples of the voltage between the first and second sense electrodes, and data processing means (40) coupled to the first sampling circuit and the second sampling circuit and configured to determine the value indicative of the permittivity of the cell population based on the first samples and the second samples. Zellpopulationssensor (2) nach Anspruch 22, wobei die erste Abtastschaltung (32) ein erster Analog-Digital-Wandler ist und wobei die zweite Abtastschaltung (34) ein zweiter Analog-Digital-Wandler ist.Cell population sensor (2) after Claim 22 wherein the first sampling circuit (32) is a first analog-to-digital converter, and wherein the second sampling circuit (34) is a second analog-to-digital converter. Zellpopulationssensor (2) nach Anspruch 22 oder 23, wobei die erste Abtastschaltung (32) eine erste einstellbare Abtastrate hat und wobei die zweite Abtastschaltung (34) eine zweite einstellbare Abtastrate hat.Cell population sensor (2) after Claim 22 or 23 wherein the first sampling circuit (32) has a first settable sampling rate and wherein the second sampling circuit (34) has a second settable sampling rate. Zellpopulationssensor (2) nach Anspruch 24, wobei die erste einstellbare Abtastrate und die zweite einstellbare Abtastrate mindestens auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms, insbesondere im Wesentlichen auf das 4-fache der Erregerfrequenz des Erregerstroms, einstellbar sind.Cell population sensor (2) after Claim 24 wherein the first adjustable sampling rate and the second adjustable sampling rate are adjustable to at least 4 times the excitation frequency of the exciter current, in particular substantially to 4 times the excitation frequency of the exciter current. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei die Oszillatorschaltung (16) eingerichtet ist, die Erregerfrequenz in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz, insbesondere in einem Frequenzbereich von 50 kHz bis 20 MHz, einzustellen. Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 25 wherein the oscillator circuit (16) is arranged to set the excitation frequency in a frequency range of 100 kHz to 10 MHz, in particular in a frequency range of 50 kHz to 20 MHz. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei die erste Abtastschaltung (32) und die zweite Abtastschaltung (34) bezüglich ihrer Abtastzeitpunkte synchronisiert sind.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 26 wherein the first sampling circuit (32) and the second sampling circuit (34) are synchronized with respect to their sampling timings. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei die erste Abtastschaltung (32) und die zweite Abtastschaltung (34) mit der Datenverarbeitungseinrichtung (40) über einen Datenspeicher (36) gekoppelt sind, wobei der Datenspeicher (36) insbesondere eine Datenaufnahmerate von mindestens 1 Gbit/s hat.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 27 in that the first scanning circuit (32) and the second scanning circuit (34) are coupled to the data processing device (40) via a data memory (36), the data memory (36) in particular having a data acquisition rate of at least 1 Gbit / s. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 28, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (40) eingerichtet ist, den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert mittels komplexer Fourier-Transformation aus den ersten Abtastwerten und den zweiten Abtastwerten zu bestimmen.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 28 wherein the data processing device (40) is arranged to determine the value indicative of the permittivity of the cell population by means of complex Fourier transformation from the first samples and the second samples. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 29, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (40) eingerichtet ist, mindestens eine von Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, Amplitude derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, und Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung aus den ersten Abtastwerten und den zweiten Abtastwerten zu bestimmen.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 29 wherein the data processing means (40) is arranged to determine at least one of amplitude of the oscillating exciting current, amplitude of that spectral component of the voltage having the exciting frequency, and phase shift between exciting current and said spectral component of the voltage from the first samples and the second samples. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 30, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung eingerichtet ist, den die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Wert auf der Basis von einem oder mehreren von der Amplitude des oszillierenden Erregerstroms, der Amplitude derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, und der Phasenverschiebung zwischen Erregerstrom und der genannten Spektralkomponente der Spannung zu bestimmen.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 30 wherein the data processing means is arranged to determine the permittivity of the population of cells based on one or more of the amplitude of the oscillating exciting current, the amplitude of that spectral component of the voltage having the exciting frequency, and the phase shift between exciting current and said spectral component of the To determine tension. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 31, wobei der die Permittivität der Zellpopulation anzeigende Wert ein Kapazitätswert oder ein Permittivitätswert ist.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 31 wherein the value indicative of the permittivity of the cell population is a capacitance value or a permittivity value. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 32, wobei die erste Abtastschaltung (32) über einen erste Verstärkerschaltung (28) mit der ersten Erregerelektrode (8) und/oder der zweiten Erregerelektrode (10) gekoppelt ist und wobei die zweite Abtastschaltung (34) über eine zweite Verstärkerschaltung (30) mit der ersten und der zweiten Messelektrode (12, 14) gekoppelt ist.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 32 wherein the first sampling circuit (32) is coupled to the first excitation electrode (8) and / or the second excitation electrode (10) via a first amplifier circuit (28), and wherein the second sampling circuit (34) is connected to the first sampling circuit (30) first and the second measuring electrode (12, 14) is coupled. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 33, wobei ein Messelement (26), insbesondere ein Messwiderstand, mit der ersten Erregerelektrode oder der zweiten Erregerelektrode gekoppelt ist und wobei die erste Abtastschaltung (32) eingerichtet ist, die ersten Abtastwerte für den oszillierenden Erregerstrom auf Basis des Spannungsabfalls an dem Messelement (26) bereitzustellen.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 33 in which a measuring element (26), in particular a measuring resistor, is coupled to the first exciter electrode or the second exciter electrode, and wherein the first scanning circuit (32) is arranged to generate the first samples for the oscillating exciter current on the basis of the voltage drop across the measuring element (26). provide. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 34, wobei die Oszillatorschaltung (16) über einen Transformator (22) mit der ersten Erregerelektrode (8) und der zweiten Erregerelektrode (10) gekoppelt ist.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 34 wherein the oscillator circuit (16) is coupled to the first exciter electrode (8) and the second exciter electrode (10) via a transformer (22). Zellpopulationssensor (2) nach Anspruch 35, wobei der Transformator (22) eine parallele Kapazität von 0,5 bis 10 pF, insbesondere von 1 bis 5 pF, hat.Cell population sensor (2) after Claim 35 wherein the transformer (22) has a parallel capacitance of 0.5 to 10 pF, in particular 1 to 5 pF. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 36, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (40) eingerichtet ist, eine spektrale Leistung des Erregerstroms und derjenigen Spektralkomponente der Spannung, welche die Erregerfrequenz hat, zu bestimmen und die Gesamtleistung von Erregerstrom und Spannung zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode zu bestimmen, und wobei die Datenverarbeitungseinrichtung weiterhin eingerichtet ist, ein Maß für die Messgenauigkeit des die Permittivität der Zellpopulation anzeigenden Werts auf Basis der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung zu bestimmen, wobei das Maß insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis auf Basis der genannten spektralen Leistung und der Gesamtleistung ist.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 36 wherein the data processing means (40) is arranged to determine a spectral power of the exciting current and the spectral component of the voltage having the exciting frequency and to determine the total power of exciting current and voltage between the first measuring electrode and the second measuring electrode, and wherein the data processing means Furthermore, it is arranged to determine a measure of the measurement accuracy of the value indicative of the permittivity of the cell population on the basis of said spectral power and the total power, wherein the measure is in particular the signal-to-noise ratio on the basis of said spectral power and the total power. Zellpopulationssensor (2) nach einem derAnsprüche 22 bis 37, wobei die Leiter zwischen der ersten Abtastschaltung (32) und der ersten und/oder zweiten Erregerelektrode (8, 10) und die Leiter zwischen der zweiten Abtastschaltung (34) und der ersten und der zweiten Messelektrode (12, 14) im Wesentlichen gleich lang sind.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 37 wherein the conductors between the first sensing circuit (32) and the first and / or second excitation electrodes (8, 10) and the conductors between the second sensing circuit (34) and the first and second sensing electrodes (12, 14) are substantially equal in length are. Zellpopulationssensor (2) nach einem der Ansprüche 22 bis 38, weiterhin aufweisend eine Steuereinheit (56), die mit der Oszillatorschaltung (16) gekoppelt ist und die Oszillatorschaltung im Betrieb veranlasst, nacheinander mit unterschiedlichen Erregerfrequenzen oszillierende Erregerströme durch die Zellpopulation zu erzeugen.Cell population sensor (2) according to one of Claims 22 to 38 , further comprising a control unit (56) coupled to the oscillator circuit (16) and, in operation, causing the oscillator circuit to generate oscillating excitation currents through the cell population successively at different excitation frequencies. Computerprogramm, welches Programmanweisungen enthält, die bei Ausführung auf einer Datenverarbeitungsanlage ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 durchführen.Computer program containing program instructions which, when executed on one Data processing system a method according to one of Claims 1 to 21 carry out.
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